基于分形结构的纸基RFID标签天线研究

基于分形结构的纸基RFID标签天线研究
基于分形结构的纸基RFID标签天线研究

文章编号:100526122(2008)0320036204

基于分形结构的纸基RF ID标签天线研究3

赖晓铮1 刘焕彬1 张瑞娜2 赖声礼2

(1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广州510640;2.华南理工大学电子与信息学院,广州510640)

摘 要: 在低质基材上研究只有分形结构的RF I D标签天线尺寸缩减特性。在偶极子天线加载分支线特性的研究基础上,提出基于M anderlbr ot和“分形树”结构的RF I D标签天线设计。通过矩量法仿真,给出了两种分形结构标签天线的谐振频率、反射系数及方向图。并制作了纸质基材的3阶分形树结构RF I D标签天线实物。仿真和测试结果表明,“分形树”标签天线结构简单,具有较好的尺寸缩减特性。

关键词: 纸基,射频识别,分形天线,分形树

Papery Substrate RFI D Tag Antennas Based on Fract al Geo metry

LA I X i a o2zheng1,L IU Huan2b i n1,ZHANG Ru i2na2,LA I Sheng2li2

(1.S tate Key L aboratory of Pulp and Paper Engineering,South China U niversity of Technology,Guangzhou510640,China;

2.College of Electronic and Infor m ation,South China U niv.of Tech.,Guangzhou510640,China)

Abstract: The fractal RF I D tag antenna is researched on paper substrate f or size reducing feature.Based on the re2 search of the di pole antenna with branch l oaded,M anderlbr ot and fractal tree structure of RF I D tag antenna are p r oposed.

Res onant frequencies,reflecti on coefficient and radiati on patterns f or t w o fractal tag antennas are si m ulated with Mo M,and a tag antenna of three iterative fractal tree with paper substrate is manufactured.Results of si m ulati on and test show that the "fractal tree"structure of RF I D tag antenna is si m p le and has visible size2reducing feature.

Key words: Papery substrate,RF I D,Fractal antenna,Fractal tree

引 言

近年来,射频识别(RF I D,Radio Frequency of I2 dentification)技术的研究日益受到关注,并得到迅速发展。典型的RF I D系统由RF I D阅读器和标签两部分组成,RF I D无源标签依靠RF I D阅读器发射的电磁信号供电,并通过反射调制电磁信号与阅读器通信[1]。因此,RF I D标签天线的设计优劣对RF I D 系统工作性能有关键的影响。

由于RF I D标签小型化和附着物体表面等特点,如何在有限空间中提高标签天线效率,是RF I D 技术中至关重要的课题。“分形”(Fractal)理论由M anderlbrot在1975年提出,具有分形结构的物体一般都有比例自相似性和空间填充性的特点[2],应用到天线设计上可以实现天线多频段特性[3]和尺寸缩减特性[4]。国内外对Sierp inski单极子[5]、Sier2 p inski贴片[6]、Koch曲线单极子[7]、Koch贴片[8]和H ilbert曲线[9]等分形结构的天线做了大量研究,证实了分形结构的天线具有良好的尺寸缩减特性,可以在有限空间内大幅度提高天线效率。

另一方面,国内的RF I D标签制作主要还是采用印刷电路板蚀刻工艺,在覆合铝箔的PVT塑料基板上刻蚀出RF I D标签天线的形状。蚀刻工艺不仅严重污染环境,而且制作成本较高,RF I D标签的塑料基材也较难回收。而在可降解的纸基材料上电镀标签天线形状,不仅可降低天线制造成本,而且纸基材料可回收,减少环境污染。纸基标签工艺是国内外RF I D标签制作的主要趋势[10]。

本文在纸质基材上研究具有分形结构的RF I D 标签天线的尺寸缩减特性。本文首先采用矩量法

第24卷第3期2008年6月

微 波 学 报

JOURNAL OF M I CROWAVES

Vol.24No.3

 Jun.2008

3收稿日期:2007209229;定稿日期:2008204209

基金项目:中国博士后科学基金(20070410828);广东省科技计划攻关项目(0711020500129);制浆造纸工程国家重点 实验室项目(200636)。

(Mo M ,M ethod ofMom ent )分析了对称偶极子天线加

载分支线后的天线谐振频率变化,揭示了其有效缩

减天线尺寸的特性;其次,提出了M anderlbr ot 结构

和“分形树”[11]

两种结构的分形RF I D 标签天线。并分别比较了其谐振频率、反射系数和方向图随分形阶数n 的变化关系。仿真和实测结果显示,“分形树”标签天线的结构简单,具有较好的尺寸缩减特性。

1 偶极子天线加载分支线特性的研究

在偶极子天线中,天线的两臂长与其谐振频率

成倒数关系。倘若要将天线的两臂尺寸缩减,则必须在天线的等效辐射面上有所补偿。本文提出的补偿方法是在偶极子天线两臂上加载分支线,如图1所示

图1 偶极子天线加载分支短路线

 

如图1所示,半波偶极子天线臂长为66mm ,分

支线加载位置固定在偶极子天线臂中心l =33mm 处,分支线长为h ,基板材料采用介电常数2.5,厚度0.8mm 的白卡纸。图2给出了分支线长h 的变化对偶极子天线谐振频率影响的仿真曲线图

图2 分支线长度h 对天线谐振频率的影响 

又假设图1中,分支线的长度固定为h =

20mm ,图3给出了分支线加载位置l 的变化对偶极

子天线谐振频率f 的影响。

由图2和3可以看出,在偶极子天线臂上加载分支线可以使天线的谐振频率下降。且随着加载位置距馈电点越远,分支线越长,天线的谐振频率越低,但频率下降的幅度不大。出于对天线尺寸的考虑,分支线的长度和加载位置都不宜过大,且两者的变化对天线的尺寸缩减贡献较小,

必须通过其他的

图3 分支线加载位置l 对天线谐振频率的影响 

途径,来提高天线的尺寸缩减程度。

2 M anderlbrot 结构的RF I D 标签天

线

为了提高偶极子天线周围空间的利用率,本文提出利用一种自相似性的“分支线”结构———M anderlbrot 分形结构,来实现高效率的偶极子标签尺寸缩减。

0~3阶的M anderlbr ot 分形结构如图4所示,其迭代过程为:将偶极子天线(0阶)的两臂各三等分,在每一等分点处垂直于天线臂朝两个相反的方向各加载两个长度为1/3臂长的分支线,这样在每一边的天线臂上就形成5段直线段,得到1阶M anderl 2

br ot 分形。对1阶M anderlbr ot 分形的每一段直线段

再进行一次三等分加载分支线,分支线与被加载线段的长度之比保持1/3,就得到2阶M anderlbrot 分形,以此类推,可以得到n 阶M anderlbr ot 分形。而n 阶M anderlbrot 分形的每一段直线段的长度为(1/3)n

图4 Manderlbr ot 天线示意图

 

假设如图4所示的0阶偶极子天线的臂长b =60mm ,分支线a =20mm ,线径0.8mm 。图5给出了0~3阶M anderlbrot 偶极子天线的反射系数S 11仿真曲线对比图。

从图5中可以看出,随着分形阶数的增加,

M anderlbrot 偶极子天线的谐振点频率不断降低,但

7

3第24卷第3期赖晓铮等:基于分形结构的纸基RF I D 标签天线研究 

图5 图5 M anderlbr ot 天线反射系数S 11

随分形阶数变化曲线

 

下降的幅度急剧变缓。2阶和3阶M anderlbrot 天线

的S 11曲线几乎没有变化。

表1 0~3阶M anderlbrot 天线参数

M anderlbr ot

零阶一阶二阶三阶谐振频率(MHz )

915

790

720

710

S 11(d B )

-24.1

-11.5

-9.2

-8.8

表1给出了0至3

阶的M anderlbr ot 偶极子天线参数的比较,可以看出,1阶M anderlbr ot 偶极子谐振频率下降了13.7%,2阶M anderlbrot 比1阶又下降了7.6%,而3阶M anderlbr ot 天线几乎与2阶的谐振频率相当,尺寸缩减特性已经达到极限。

3 “分形树”结构的RF I D 标签天线

M anderlbr ot 结构的分形天线虽然有较好的尺寸

缩减特性,但2阶以上的天线末端分支较多,结构复杂,对纸基标签天线的制作工艺精度有较高要求。本文仿照M anderlbr ot 分形天线的迭代形式,引入一种结构较简单、分支较少的"分形树"偶极子天线结构,如图6所示。

图6 分形树偶极子天线示意图

 

假设半波偶极子天线臂长为l ,天线两臂的分支

点与馈电点间距为b ,并设a =l -b ;则分形树偶极子天线的迭代过程如下:偶极子(0阶分形树)天线

两臂从分支点开始,末端分为两支,得到1阶分形

树。每一分支线的长度依旧为a ,两分支线间的夹角为α,以天线臂为中心左右对称。对1阶分形树的分支线末端线段再进行一次分支,新的分支线与未分支线段的长度之比保持a /b ,且新的分支线间夹角依旧为α,就得到

2阶分形树。以此类推,可以得到n 阶分形树。n 阶分形树总共有2n +1

个分支末端。

分形树结构总共有两个几何参数可以调整:分

支线之间的夹角α(α≤180°

);分支线段长度之比a /b 。

假设如图6所示的0阶偶极子天线的臂长60mm ,线径0.。为简化天线结构,设分支线段长度之比a /b =1,图7和图8分别给出了α=60°和α=180°时的0~3阶分形树偶极子天线反射系数

S 11仿真曲线图。

从图7和图8中可以看出,随着分形阶数的增

加,分形树天线的谐振点频率不断降低,但下降的幅度急剧变缓。2阶和3阶天线的S 11曲线几乎没有变化,尺寸缩减效应达到极限。而在相同阶数下,分支夹角越小,“分形树”天线谐振频率越低。

8

3微 波 学 报2008年6月

表2 0~3阶“分形树”天线谐振频率(单位:M Hz)

分支夹角零阶一阶二阶三阶60°915770710670

180°915820770760 M anderlbr ot915790720710

表3 0~3阶“分形树”天线反射系数S

11

(单位:dB)分支夹角零阶一阶二阶三阶60°-24.09-16.15-13.56-12.32

180°-24.09-12.91-11.11-10.46 M anderlbr ot-24.09-11.51-9.23-8.85

表2和表3中给出了0至3阶的不同分支夹角分形树天线的谐振频率和反射系数,从表2和表3中可以看出:180°分支夹角的“分形树”天线尺寸缩减特性优于M anderlbrot天线,而60°分支夹角的“分形树”天线则比180°分支夹角的“分形树”天线具有更好的尺寸缩减特性。

最后,60°分支夹角的三阶“分形树”偶极子天

线与半波偶极子的仿真方向图对比如图9所示

图9 三阶“分形树”偶极子与半波偶极子

天线的方向图比较

 

从图9可看出,60°分支夹角的三阶“分形树”偶极子天线与半波偶极子天线在E面与H面方向图上基本相同。因此,分形结构在缩减RF I D标签天线尺寸的同时不会对标签天线方向图等其他参数产生较大的影响。

4 分形树标签天线的实际制作与测试根据以上仿真结果,折衷考虑天线的性能和尺寸缩减特性,本文在厚度为0.8mm、介电常数 2.5的白卡纸基板上镀铝膜制作了目标阻抗为10+ j143Ω的3阶60°分支夹角的“分形树”标签天线,天线的尺寸图和实物图分别如图10和图11所示。“分形树”标签天线的单臂直线长度为54mm,与半波偶极子天线相比,约为其臂长的81.6%,尺寸缩

减了18.4%。

表4 分形树标签天线实物阻抗测量与仿真比较

 

测量值仿真值

Re(Ω)I m(Ω)Re(Ω)I m(Ω)阻抗16.82156.1916.289144.368

表4是“分形树”标签天线在915MHz阻抗的仿真值和实测值的对比,天线端口接入微带巴仑做平衡-不平衡转换S MA接头,使用Agilent8753ET网络分析仪测量天线阻抗。与目标阻抗值10+j143Ω相比,天线阻抗的虚部稍大,实部基本接近仿真值。5 结论

M anderlbr ot及其相似的“分形树”结构由于其空间填充特性,有利于RF I D标签天线的小型化设计。随着分形阶数的不断增加,与经典M anderlbr ot 结构天线相比,“分形树”结构天线在保持尺寸缩减特性的同时,具有更易实现的几何结构,是实现RF I D标签天线小型化的有效途径。

(下转第43页)

第24卷第3期赖晓铮等:基于分形结构的纸基RF I D标签天线研究 

i or of the sier p inski multi2band fractal antenna[J].I EEE

Trans Antennas Pr opagat,1998,46(4):517~524〔3〕 Puente C,Romeu J,Bart ol ome R,Pous R.Perturbati on of the sier p inski antenna t o all ocate operating bands[J].

Electr on Lett,1996,32(11):2186~2188

〔4〕 Song C T P,Hall P S,Ghaf ouri2Siraz H.Sier p inski monopole antenna with contr olled band s pacing and input

i m pedance[J].Electr on Lett,1999,35(6):1036~

1037

〔5〕 Soler J,Romeu J.Dual2band sier p inski fractal monopole antenna[C].Antennas and Antennas and Pr opagati on

Society I nternati onal Sy mposiu m,2000.1712~1715〔6〕 George F Tsachtsiris,Constantine F Soras,Manos P.

Karaboikis,Vassili os T Maki os.Analysis of a modified

sier p inski gasket monopole antenna p rinted on dual band

wireless devices[J].I EEE Trans Antennas Pr opagat,

2004,52(10):2571~2578〔7〕 Puente C,Romeu J,Pous R,Ra m is J,H ijazo A.S mall but l ong Koch fractal monopole[J].Electr onics Letters,

1998,34(1):9~10

〔8〕 Baliarda C P,Romeu J,Cardama A.The Koch mono2 pole:a s mall fractal antenna[J].I EEE Transacti ons on

Antennas and Pr opagati on,2000,48(11):1773~1781

肖光国 男,1982年生,华东师范大学无线电物理专业在读硕士研究生。研究方向为无线技术和无线通信,目前主要从事ME MS可重构分形天线的研究。

E2mail:sandersxiao@https://www.360docs.net/doc/3e10336094.html,

朱守正 男,上海人,华东师范大学无线电物理专业教授,博士生导师,研究方向主要有天线设计、电波传播以及高频数值算法等。

E2mail:szzhu@https://www.360docs.net/doc/3e10336094.html,

(上接第39页)

参 考 文 献

〔1〕 Laus Finkenzeller著,陈大才编译.射频识别(RF I D)技术[M].北京:电子工业出版社,2001

〔2〕 W erner D H,Ganguly S.An overvie w of fractal antenna engineering research[J].Antennas and Pr opagati on Mag2

azine.2003,45(1):38~57

〔3〕 Sanchez J L,De Har o L.Experiences on multi2band frac2 tal antennas.Antennas and Pr opagati on Society.2001,4:

58~61

〔4〕 Eas on S D,L ibonati R,Culver J W,W erner D H,etc.

UHF fractal antennas.Antennas and Pr opagati on Society

I nternati onal Sy mposiu m,2001,3:636~639

〔5〕 Krzyszt ofik W J.FractalMonopole Antenna f or Dual2I S M2 Bands App licati ons[C].M icr owave Conference,2006.

36th Eur opean.2006.9:1461~1464

〔6〕 Luintel T,W ahid P F.Modified Sier p inski fractal anten2 na[C].W ireless Communicati ons and App lied Computa2

ti onal Electr omagnetics I nternati onal Conference,2005:

578~581

〔7〕 Ha mzah S A,Zainal M S,Abdullah N,Dahlan Sa m sul

Hai m i,Cholan N A.Size Reducti on andM ultiband Char2

acteristic U sing Koch Fractal D i pole[C].RF and M icr o2

wave Conference,2006,9:140~142

〔8〕 Borja C,Font G,B lanch S,et al.H igh directivity fractal boundary m icr ostri p patch antenna[J].Electr on Lett,

2000,36(9):778~779

〔9〕 V inoy K J,Jose K A,Varadan V K,et al.H ilbert curve fractal antenna:A s mall res ontantenna f or VHF/UHF ap2

p licati ons[J].M icr owave and Op tical Technol ogy Let2

ters,2001,29(4):215~219

〔10〕 苏铁青.RF I D电子标签印刷现状与发展前景综述[J].金卡工程,2007(1):33~34

〔11〕 Rm ili H,M rabet O E,Fl och J M,M iane J L.Study of an Electr oche m ically2Deposited32D Random Fractal

Tree2Monopole Antenna[J].Antennas and Pr opagati on,

2007,55(4):1045~1050

赖晓铮 1979年生,男,博士后。华南理工大学电路与系统专业博士毕业,主要研究方向:纸质基材的RF I D标签天线研究。

E2mail:s oka@https://www.360docs.net/doc/3e10336094.html,

第24卷第3期肖光国等:加载式混合分形天线及其应用 

相关主题
相关文档
最新文档