基于Hilbert分形结构的RFID标签天线

华南理

工大学学报(自然科学版)第34卷第6期Journal of South China University of Technol ogy

Vol .34　No .62006年6月

(Natural Science Editi on )

June 2006

文章编号:10002565X (2006)0620025204

　

　收稿日期:2005212205

3基金项目:广东省科技攻关项目(2003C40406)

　作者简介:赖晓铮(19792),男,博士生,主要从事RF I D 天线和射频电路方面的研究.E 2mail:t om s oka@t https://www.360docs.net/doc/847674094.html,

基于H ilbert 分形结构的RF I D 标签天线

3

赖晓铮　张小燕　赖声礼　谢泽民

(华南理工大学电子与信息学院,广东广州510640)

摘　要:提出了一种基于H ilbert 分形结构的射频识别(RF I D )标签天线的尺寸缩减设计.

通过矩量法仿真,给出了H ilbert 标签天线的谐振频率、方向图以及天线效率,并制作了一维H ilbert 标签天线实物进行测试.仿真和实测结果表明,H ilbert 分形结构天线的空间填充特性可有效转化为标签天线的尺寸缩减特性,而且一维H ilbert 标签天线具有更高的天线效率.

关键词:H ilbert 分形结构;分形天线;射频识别;标签

中图分类号:T N 821+

.4 文献标识码:A

近年来,射频识别(RF I D )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 系统工作性能有较大的影响.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.

分形理论由Manderbl ot 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Sier p inski 单极子[5]、Sier p inski 贴片[6]、Koch 曲线单极子[7]、Koch

贴片[8]

等分形结构的天线做了大量研究工作,证实了分形结构的天线具有良好的尺寸缩减特性,可以在有限的空间内大幅度提高天线效率.

本文分析了一维和二维H ilbert 分形结构的RF I D 标签天线,并对两种分形标签天线分别比较了其长度、谐振频率、反射系数及方向图随分形阶数的变化关系.仿真结果表明,一维H ilbert 分形标签天

线在尺寸缩减的同时,具有较高的天线效率,适合于

RF I D 标签应用.

1　H ilbert 分形天线的几何描述

0至4阶的H ilbert 分形结构如图1所示.H il 2bert 天线是1/3等边分形天线,0阶H ilbert 天线各

边长均为h .n 阶H ilbert 天线总长度为

L (n )=4n +1-1

2n +1-1

h

(1) 由图1可见,H ilbert 天线轮廓的总面积保持不变,为h 2

.随着H ilbert 分形迭代阶数的增加,H ilbert 曲线的长度呈指数上升,趋近于无穷大,逐渐填充整

个轮廓,因此,H ilbert 分形天线具有空间填充特性[9]

.

图1　0～4阶H ilbert 分形结构

Fig .1　0～4iterati on of H ilbert fractal structure

2　二维H ilbert 分形标签天线分析

根据图1中的H ilbert 分形结构,文中提出了如图2所示的二维H ilbert 标签天线结构.本文取H il 2bert 标签天线外部等边长h =54mm ,0阶H ilbert 标

签天线谐振频率为915MHz .用矩量法对0～2阶的

二维H ilbert 标签天线进行仿真,结果如图3,4所示,天线参数见表1

.

图2　二维H ilbert 分形标签天线结构

Fig .2　Structure of 2D H ilbert fractal tag

antenna

图3　二维H ilbert 分形标签天线的方向图仿真结果

Fig .3　Si m ulati on results of radiati on pattern of 2D H ilbert frac 2

tal tag antenna

从图3和表1可以看出,相对于相同纵向长度的普通偶极子天线,随着分形阶数的增加,0～2阶二维H ilbert 标签天线的方向图基本保持不变,但谐振频率逐渐减小:2阶二维H ilbert 标签天线的谐振频率约为410MHz,若要保持谐振频率为915MHz,则2

阶二维H ilbert 标签天线的等边长度约为0.46h . 虽然H ilbert 分形结构有效地减小了天线的电长度,然而随着分形阶数的增加,二维H ilbert 标签天线的增益和效率急剧下降,2阶二维H ilbert 标签天线的效率仅为8.83%.这表明二维H ilbert 分形结构对标签天线的尺寸缩减是以降低天线增益和天线效率为代价的,不能满足RF I D 标签天线设计的需要

.

图4　二维H ilbert 分形标签天线的S 11曲线

Fig .4　S 11curves of 2D H ilbert fractal tag antenna

表1　二维H ilbert 分形标签天线参数

Table1　Para meters of 2D H ilbert fractal tag antenna 天线类别

天线总长/mm 谐振频率

/MHz S 11/dB 最大增益/dB 天线效率

/%0阶162915-8.10.276.061阶270610-1.9-4.027.892阶

486

410

-1.1

-8.8

8.83

3　一维H ilbert 分形标签天线分析

为了提高H ilbert 分形结构的RF I D 标签天线的效率,本文提出了另一种形式的H ilbert 标签天线结构,如图5所示.谐振频率为915MHz 的半波振子天线长度2L =149mm.取三等分弯折线,各弯折线段长度均为h =2417mm ,在弯折线部分采用H ilbert 分形变换,弯折线天线为0阶H ilbert 标签天线. 用矩量法对一维H ilbert 标签天线进行仿真,结果如图6,7所示,天线参数见表2

.

图5　一维H ilbert 分形标签天线结构

Fig .5　Structure of 1D H ilbert fractal tag antenna

62华南理工大学学报(自然科学版)第34卷

图6　一维H ilbert 分形标签天线的方向图仿真结果

Fig .6　Si m ulati on results of radiati on pattern of 1D H ilbert frac 2

tal tag

antenna

图7　一维H ilbert 分形标签天线的S 11曲线

Fig .7　S 11curves of 1D H ilbert fractal tag antenna

从图6和表2可以看出,一维H ilbert 分形标签天线的方向图基本相同,谐振频率随阶数的增加不断下降,但下降幅度逐渐趋缓.2阶一维H ilbert 标签

天线的谐振频率下降到半波偶极子天线谐振频率的49.2%时,其天线效率为62.91%,是2阶二维H il 2bert 标签天线效率(8.83%)的7.1倍.这说明了一

维H ilbert 结构的分形天线在缩减天线尺寸的同时,能够保持标签天线的性能不急剧下降.经过推算,在915MHz 谐振频率下,2阶一维H ilbert 分形标签天

线的两臂长度约为半波振子天线长度的50%,具有较好的尺寸缩减特性.

表2　一维H ilbert 分形标签天线参数

Table 2　Parameters of 1D H ilbert fractal tag antenna 天线类别天线总长/mm 谐振频率

/MHz S 11/dB

最大增益/dB 天线效率

/%半波偶极子

149915-22.

9 2.195.960阶247630-11.2 1.586.681阶396535-7.70.875.322阶

594

450

-6.0

0.0

62.91

4　试验测试

根据前面H ilbert 天线的仿真结果,制作了如图8所示的1阶一维H ilbert 分形标签天线.

图8　1阶一维H ilbert 分形标签天线

Fig .8　One iterati on of 1D H ilbert fractal tag antenna

天线两端的直线长度为50mm ,H ilbert 分形高度为20mm ,馈点间距1mm ,测得915MHz 频率处天线的等效输入阻抗为15+j245.采用的标签I C 是A t m el 公司的AT A5590,芯片I C 端口阻抗为12-j217,符合RF I D 国际标准EPC Class1Gen2.

使用的阅读器是AW I D 公司的MPR 23014阅读器,支持EPC Class1Gen2标准.在天线辐射功率4W 、中心频率915MHz 、标签天线面与阅读器天线

面水平的试验条件下,阅读距离为5.6m.根据文献[10]报导,偶极子RF I D 标签在RF I D 阅读器输出4W 射频功率的条件下可以达到7.2m 的识别距离.

实验结果显示,本文制作的RF I D 标签天线的性能基本达到应用的要求.

7

2　第6期赖晓铮等:基于H ilbert 分形结构的RF I D 标签天线

5　结论

H ilbert分形结构天线由于其具有空间填充特性,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,与二维H ilbert标签天线相比,一维H ilbert标签天线在具备尺寸缩减特性的同时,有效地保持了天线的效率不急剧下降.运用一维H il2 bert标签天线,可以实现谐振在915MHz的小型化高效率的RF I D标签天线.

参考文献:

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RFI D Tag Antennas Based on Hilbert Fract al Structure

L ai X iao2zheng　Zhang X iao2y an　Lai Sheng2li　Xie Zhe2m in

(College of Electr onic and I nf or mati on Engineering,South China Univ.of Tech.,Guangzhou510640,Guangdong,China)

Abstract:A m iniaturizati on structure of RF I D(Radi o Frequency of I dentificati on)tag antennas based on H ilbert fractal structure is p r oposed.Then,the res onant frequencies,radiati on patterns and efficiencies of the tag antennas are si m ulated by means ofMo M(Method ofMoment),and a one2di m ensi on tag antenna with H ilbert fractal struc2 ture is manufactured f or test.The si m ulati on and test results show that the s pace2filling feature of H ilbert fractal structure antenna can be effectively transf or med int o the size2reducing feature,and that the RF I D tag antenna with one2di m ensi on H ilbert fractal structure is of higher efficiency.

Key words:H ilbert fractal structure;fractal antenna;radi o frequency of identificati on(RF I D);tag

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