基于分形理論的UHF RFID讀寫(xiě)器天線的設(shè)計(jì)

孫 笠

（北京郵電大學(xué)國(guó)際學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程 北京 100876）

基于分形理論的UHF RFID讀寫(xiě)器天線的設(shè)計(jì)

孫 笠

（北京郵電大學(xué)國(guó)際學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程 北京 100876）

引言

閱讀器天線的輸入?yún)?shù)如阻抗、帶寬，則影響RFID閱讀器與天線的匹配程度，決定了閱讀器的能量及數(shù)據(jù)發(fā)送和接收質(zhì)量的好壞。因此，天線性能的好壞對(duì)整個(gè)射頻識(shí)別系統(tǒng)的性能具有重要的影響［1］。Manderblot在1975年提出了分形理論。本文采用分形理論和HFSS軟件來(lái)構(gòu)建新型的天線模型。

1.天線設(shè)計(jì)的理論分析

RFID閱讀器天線大多屬于傳統(tǒng)類(lèi)型的微帶天線，由于結(jié)構(gòu)、安裝和使用環(huán)境等變化多樣，并且閱讀器產(chǎn)品朝著小型化甚至超小型化方向發(fā)展，常規(guī)的方法雖然可以通過(guò)提高基片介電常數(shù)、加載短路棒、加載縫隙，實(shí)現(xiàn)貼片天線的小型化設(shè)計(jì)，但是這些方法不但對(duì)天線的性能有較大影響，而且會(huì)導(dǎo)致閱讀器天線的成本上升，加大仿真設(shè)計(jì)的難度。

1.1 分形天線理論

將分形應(yīng)用于天線的設(shè)計(jì)主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)天線小型化和天線的多頻特性，分形天線解決了傳統(tǒng)天線的兩個(gè)局限性。

（1）通常天線的性能都依賴于天線的電尺寸。這就意味著對(duì)于固定的天線尺寸，主要天線參數(shù)將隨著工作頻率的改變而改變。分形的自相似性使分形天線具有多頻和寬頻特性。

（2）分形的空間填充性，使一些尺寸得到減縮［3］。

1.2 兩種經(jīng)典的分形結(jié)構(gòu)

1.2.1 Minkowski分形環(huán)的迭代生成

假設(shè)復(fù)平面上給定兩點(diǎn)，坐標(biāo)分別為a0和b0。上標(biāo)0表示初始單元，1表示生成單元，下標(biāo)表示點(diǎn)排號(hào)。對(duì)于初始單元，有；對(duì)于生成單元，設(shè)，令：

將平面上兩點(diǎn)距離用模和幅角來(lái)表示。

1.2.2 Sierpinski毯結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)外關(guān)于Sierpinski毯結(jié)構(gòu)天線研究的很深入，其構(gòu)造過(guò)程為：將一個(gè)正方形等分分割成9個(gè)小正方形，去掉中間的小正方形，剩下8個(gè)小正方形；對(duì)剩下的小正方形分別再做9等分分割，并去掉各自中間的小正方形，剩下64個(gè)小正方形；如此反復(fù)分割操作，直至無(wú)窮，就構(gòu)造成Sierpinski方毯［5］。

1.3 圓極化理論

圓極化的關(guān)鍵是激勵(lì)兩個(gè)極化方式的線極化波，當(dāng)這兩個(gè)極化方式的線極化波幅度相等、相位相差90°時(shí)，就能得到圓極化波的輻射。獲得圓極化特性的饋電方式有兩種，一種是單點(diǎn)饋電，另一種是正交饋電。本節(jié)主要介紹單點(diǎn)饋電圓極化微帶天線的實(shí)現(xiàn)原理。

1.4 最大讀取距離的計(jì)算

當(dāng)無(wú)源RFID系統(tǒng)正常工作時(shí)，閱讀器能夠激活標(biāo)簽，標(biāo)簽獲取能量返回信號(hào)被閱讀器識(shí)別的最大距離Rmax。閱讀器天線在方向（θtrans，?trans ，Rmax）上傳播距離R的功率譜密度為：根據(jù)Friis空間公式，得到RFID標(biāo)簽天線的接收功率表達(dá)式為：

式中， Gtag（θtag,?tag）為標(biāo)簽接收天線在 （θtag,?tag）方向上的增益， λ為波長(zhǎng)，為天線極化損耗因子，通常對(duì)于線極化和圓極化天線，極化損耗因子都是0.5。

由式（4）～式（6），可得到：

當(dāng)諧振頻率為922MHz時(shí)，閱讀器與標(biāo)簽間的識(shí)別距離最大。本文用到的閱讀器靈敏度為-80dBm，該閱讀器可以接收到標(biāo)簽方向散射回來(lái)的信號(hào)，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.天線的優(yōu)化和仿真

根據(jù)中國(guó)UHF頻段射頻識(shí)別技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，所設(shè)計(jì)的天線應(yīng)滿足以下指標(biāo)。

（1）工作頻率能夠完全覆蓋920～925MHz；

（2）當(dāng)中心頻率為922MHz時(shí)，增益達(dá)到-30 dB；

（3）增益在-10dB以下的帶寬大于10MHz；

（4）駐波比<2，達(dá)到了較高的圓極化性能；

（5）和傳統(tǒng)天線相比，尺寸縮減；

（6）識(shí)別距離大于5m。

2.1 分形天線的建模

方形Sierpinski毯天線具有明顯的多頻特性，但是尺寸上還是顯得過(guò)大；Minkowski微帶貼片天線尺寸較小，但是頻帶較窄。匈牙利人Vicsek提出了一個(gè)操作方法，將一個(gè)正方形9等分，只保留中心和四個(gè)角上的小正方形，其余的去掉，得到這樣的圖形稱為1階Vicsek圖形。如果將中間的貼片變大，保持外圍尺寸不變。

若采用1階Vicsek的模型，通過(guò)HFSS軟件仿真后，天線的帶寬較窄且增益較小。因此，本文對(duì)四個(gè)角上及中間的正方形進(jìn)行開(kāi)槽，對(duì)模型加以改進(jìn)，以增大天線的頻帶寬度，提高增益。

2.2 天線的優(yōu)化和仿真

通過(guò)使用HFSS商業(yè)軟件對(duì)改進(jìn)后的天線進(jìn)行仿真，得到天線的掃頻分析仿真看得：天線的中心頻率為0.9762GHz，不滿足中國(guó)超高頻頻段的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)天線模型再次改進(jìn)，采用的方式為對(duì)地板開(kāi)槽，以使諧振頻率左移。

經(jīng)多次優(yōu)化仿真，最后確定所開(kāi)槽的寬度為2mm，長(zhǎng)度為24.5mm。此時(shí)使用HFSS軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真，得到再次改進(jìn)后的天線掃頻分析仿真后可得：諧振頻率為922MHz，增益為-30.1614 dB，-10dB以下頻帶寬度為15MHz，滿足設(shè)計(jì)要求。

天線的輸入阻抗仿真后可得：當(dāng)諧振頻率為922MHz時(shí)，天線的輸入阻抗為52？，接近50？，滿足設(shè)計(jì)要求。

為了實(shí)現(xiàn)天線的圓極化，天線的電壓駐波比<2，使用HFSS軟件進(jìn)行仿真，當(dāng)頻率位于914.3～929.2MHz范圍內(nèi)，天線的電壓駐波比<2，能夠很好地實(shí)現(xiàn)天線的圓極化，滿足設(shè)計(jì)的要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的天線經(jīng)過(guò)仿真，中心頻率為922MHz，增益達(dá)到-30dB；當(dāng)增益在-10dB以下，頻率從914MHz上升至929MHz時(shí)，帶寬達(dá)到15MHz，完全覆蓋中國(guó)的超高頻頻率（920～925MHz）的范圍；電壓駐波比<2，具有很好的圓極化性能；歸一化輸入阻抗為52？。各項(xiàng)參數(shù)都很好地滿足設(shè)計(jì)要求，完全符合中國(guó)超高頻頻段的標(biāo)準(zhǔn)。天線長(zhǎng)度和寬度尺寸為60mm？60mm，比傳統(tǒng)的90mm？90mm縮減了33%，比改進(jìn)型傳統(tǒng)尺寸70mm？70mm縮減了14.29%。設(shè)計(jì)的閱讀器天線理論識(shí)別距離最大達(dá)到7.16 m，適用于煤礦井下人員定位系統(tǒng)。