基于RFID的分形天線的設計與研究

姜 宇，孫岳忠，楊 帆

(哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，哈爾濱150001)

射頻識別(RFID，Radio Frequency Identification)技術(shù)是一種利用射頻方式進行非接觸雙工通信，進而實現(xiàn)識別目標并相互傳遞信息的技術(shù).RFID技術(shù)相比傳統(tǒng)的識別技術(shù)具有許多優(yōu)勢，比如:可以實現(xiàn)定向的遠距離讀寫信息，而無需可視目標;工作不受環(huán)境惡劣的影響;可以同時與多目標進行通信;存儲容量大;可以對目標進行空間定位等等.近年來，隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，RFID技術(shù)已經(jīng)成為繼互聯(lián)網(wǎng)之后，信息技術(shù)領(lǐng)域里的又一場技術(shù)革命［1－2］.配合逐漸興起的云計算和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，RFID已成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一［3］.目前，我國在超高頻和微波頻段的RFID設備還主要依賴進口，實力還相對弱，在我國最新頒布的“十二五”規(guī)劃中，微波段的RFID技術(shù)被明確為國家發(fā)展的重點，國家將在相關(guān)領(lǐng)域里追加大量投資.因此今后幾年，RFID技術(shù)在我國將有很大的發(fā)展和應用前景.

當前的RFID系統(tǒng)主要應用在LF、HF(13.56MH)z、UHF和微波頻段.天線的原理和設計在各個波段上有著較大的不同.實質(zhì)上，由于RFID技術(shù)在低頻段中，電磁波的傳播的方式與高頻段明顯不同，天線設計的難點主要還是集中在微波頻段中［4－5］.本文主要針對微波頻段的RFID天線的設計.近年來對于RFID天線的設計和研究開始多了起來，對于RFID天線性能提高與改進的需要愈加強烈.同時這類研究對于RFD系統(tǒng)的構(gòu)建和應用也具有較高的理論意義和實用價值.

本文將分形理論中的Vicsek結(jié)構(gòu)引入到RFID天線的設計中，提出了一種改進型的Vicsek雙頻分形微帶天線，實現(xiàn)了天線的小型化設計并得到了良好天線指標，符合RFID系統(tǒng)天線的要求.

1 分形天線結(jié)構(gòu)設計

1.1 分形原理

1975年，Mandelbrot首次提出了分形理論，其原意本來是指不規(guī)則的、互相分離的物體.在其出版的《自然界的分形幾何》中，首次將分形的概念公之于眾，進而傳遍全球.分形理論簡單地來說，是指具有某種特定類型的，自相似性的圖形或結(jié)構(gòu).自相似性是指局部與整體相似，局部中又有與之相似的單元，每一細化的單元中包含的細節(jié)已經(jīng)可以涵蓋整體的全部細節(jié).這種經(jīng)過不斷重復剖分的無窮嵌套，形成了奇妙的分形圖案，它不但遵從嚴格的幾何相似性，而且包含通過大量的概率統(tǒng)計而得到的自相似性［6］.分形理論的特點就是無限的自相似性［7］.

分型理論中的維數(shù)是指，假設一個分形結(jié)構(gòu)由n個相似的單元的組成，那么其中每一個小單元都是整體的1/m，則分形維數(shù)定義為［8］.

D被稱作相似性維數(shù).維數(shù)可以取整數(shù)，也可以取小數(shù).維數(shù)有很多分類，如Hausdorff維數(shù)等等［9］，但是大部分的維數(shù)的分類都是基于尺度L進行的劃分與量度，都運用了與之相類似的方法進行測量:既忽略尺寸小于L時細節(jié)的不規(guī)則性，并觀察當L趨于0時，這些測量值會發(fā)生怎樣的變化［10－12］.

在多數(shù)情形下，分形天線可以用非常簡單的方法定義，可以由變化的迭代來生成.由于分形結(jié)構(gòu)具有自相似的特點，利用分型理論這一基本特性可以大大提高天線的性能.由于他在不同的尺寸下仍然相似，從而可構(gòu)成天線的多頻段輻射特性.國內(nèi)近年來研究較多的分形模型有Minkowski結(jié)構(gòu)，Koch結(jié)構(gòu)和Sierpinski結(jié)構(gòu)［13］.本文采用 Vicsek分型結(jié)構(gòu)，并對其進行改進，以滿足RFID天線小型化，寬頻帶的要求［14］.

分形天線的分析方法有很多，應用最廣泛的是矩量法，但是計算量較大.隨著計算電磁學的迅猛發(fā)展，F(xiàn)DTD和有限積分法在天線數(shù)值計算方面也得到了較多的應用.現(xiàn)在大多數(shù)情況下，一般對于分形天線都采用比較成熟的商業(yè)軟件進行仿真.本文仿真軟件采用CST MWS(CST微波工作室CST Microwave Studio).CST MWS是成立于德國的CST公司開發(fā)的一款電磁場仿真軟件.廣泛的用于仿真天線、RCS、濾波器、諧振腔、EMC等領(lǐng)域中.

1.2 Vicsek分形結(jié)構(gòu)

匈牙利的Vicsek提出了一種分形方法，將一個正方形分成九個相同的小正方形，去掉四角上的四個小正方形，而保留剩余的部分.無限重復上面的步驟，得到圖1(A)所示的圖形.類似的，將一個正方形九等分后，只保留四個角的上小正方形，其余的去掉，這樣得到的結(jié)構(gòu)如圖1(B)所示.這兩種結(jié)構(gòu)都被稱為Vicsek結(jié)構(gòu).

圖1 兩種形式的Vicsek分形結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的分型結(jié)構(gòu)應用在天線中，天線的性能，例如回波損耗帶寬等在仿真中總是與理想中有所差距.為了提高天線的性能，本文對Vicsek結(jié)構(gòu)做了適當?shù)母倪M，選取圖1(A)的形式，將原先周圍四個正方形跟中間的相連的形式，變形為圖2(A)所示的結(jié)構(gòu)，將中間的部分變大，進一步得到2(B)所示的改進型Vicsek分形結(jié)構(gòu).

圖2 改進型Vicsek分形結(jié)構(gòu)

要求設計的天線的兩個頻段中心頻率分別為900 MHz和2.45 GHz.當正方形寬度為50 mm左右、中間方塊寬度為30 mm左右時，改進型Vicsek天線容易在兩個設定的工作頻率附近實現(xiàn)諧振.饋電方式采用背饋式.圖3為改進型Vicsek天線在CST中的模型圖.

圖3 改進型Vicsek天線在CST中的模型圖

2 仿真結(jié)果分析

2.1 天線與阻抗圖

CST是基于有限積分法的，仿真的時候需要進行網(wǎng)格剖分.對圖3的Vicsek分形天線，將采取系統(tǒng)的自適應網(wǎng)格剖分.在高頻段由于波長相對較短，網(wǎng)格需要劃分的很細，若采取掃頻仿真的方式，計算量會很大.因此本文采取折中的辦法，只在工作的兩個中心頻點附近進行仿真，低頻段的掃頻間隔設定的稍短，高頻段的則長一些.仿真得到的兩個中心頻點的S11，如圖4、5所示.

觀察Vicsek分形天線的S11圖和阻抗圖，可以得出:天線在兩個頻段內(nèi)有諧振點，工作的中心諧振頻率分別為f1=0.9 GHz，f2=2.5 GHz;在兩個頻帶的10 dB回波損耗分別達到20、190 MHz.較傳統(tǒng)分形天線的性能有了一定的提高.

2.2 天線輻射場方向圖與駐波比

在915 MHz與2.45 GHz兩個頻率對其天線輻射場方向圖仿真，圖6以及圖7即為仿真結(jié)果.低頻915 MHz天線H面輻射狀態(tài)良好，而在高頻2.45 GHz時天線性能稍有下降，基本滿足RFID系統(tǒng)天線的要求.

電壓駐波比VSWR為圖8所示.當Vicsek分形天線中心頻率在915MHz時，VSWR的工作帶寬為11.5%.Vicsek分形天線中心頻率在2.45 GHz時，VSWR的工作帶寬為18.2%.從圖8中可以看出滿足微波段RFID系統(tǒng)的要求，相對傳統(tǒng)分形天線有了一定的提高.

圖8 仿真結(jié)果VSWR

3 結(jié)語

本文針對微波頻段的RFID系統(tǒng)的要求，提出了一種改進型的Vicsek分形天線.工作頻率在915 MHz和2.45 GHz，當工作頻率915 MHz時，VSWR的工作帶寬為11.5%，當中心頻率在2.45 GHz時，VSWR的工作帶寬為18.2%.得到了較理想的回波帶寬.滿足了RFID天線的要求.本文為今后對RFID分形天線的繼續(xù)研究打下了良好的基礎(chǔ).

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