Hilbert分形結(jié)構(gòu)在RFID標(biāo)簽天線中的應(yīng)用

現(xiàn)代社會(huì)產(chǎn)品越來(lái)越豐富，數(shù)據(jù)管理需求也越來(lái)越高，人們需要將多種多樣處于生產(chǎn)、銷售、流通過程中的物品進(jìn)行標(biāo)識(shí)、管理和定位。采用傳統(tǒng)的條形碼進(jìn)行物品標(biāo)識(shí)將會(huì)帶來(lái)一系列的不便：無(wú)法進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的識(shí)別，需要人工干預(yù)、許多物品無(wú)法標(biāo)識(shí)等等。相反，由于射頻識(shí)別fRFID1系統(tǒng)采用具有穿透性的電磁波進(jìn)行識(shí)別，所以可以進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的識(shí)別，無(wú)須人工干預(yù)，可以標(biāo)識(shí)多種多樣的物品。

　　射頻識(shí)別技術(shù)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它是由電子標(biāo)簽（Tag/TranspONder）、讀寫器（Reader/Interrogator）及中間件（Middle-Ware）~部分組成的一種短距離無(wú)線通信系統(tǒng)。射頻識(shí)別中的標(biāo)簽是射頻識(shí)別標(biāo)簽芯片和標(biāo)簽天線的結(jié)合體。標(biāo)簽根據(jù)其工作模式不同而分為主動(dòng)標(biāo)簽和被動(dòng)標(biāo)簽。主動(dòng)標(biāo)簽自身攜帶電池為其提供讀寫器通信所需的能量：被動(dòng)標(biāo)簽則采用感應(yīng)耦合或反向散射工作模式，即通過標(biāo)簽天線從讀寫器中發(fā)出的電磁場(chǎng)或者電磁波獲得能量激活芯片，并調(diào)節(jié)射頻識(shí)別標(biāo)簽芯片與標(biāo)簽天線的匹配程度，將儲(chǔ)存在標(biāo)簽芯片中的信息反饋給讀寫器。因此。射頻識(shí)別標(biāo)簽天線的阻抗必須與標(biāo)簽芯片的輸入阻抗共軛匹配，以使得標(biāo)簽芯片能夠最大限度地獲得射頻識(shí)別讀寫器所發(fā)出的電磁能量。此外，標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)時(shí)還必須考慮電子標(biāo)簽所應(yīng)用的場(chǎng)合，如應(yīng)用在金屬物體表面的標(biāo)簽天線和應(yīng)用在普通物體表面的標(biāo)簽天線在天線的結(jié)構(gòu)和選材上存有很大的差別。適合于多種芯片、低成本、多用途的標(biāo)簽天線是射頻識(shí)別在我國(guó)得到廣泛普及的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　本文分析了一維和二維Hilbert分形結(jié)構(gòu)的RFID標(biāo)簽天線，并對(duì)兩種分形標(biāo)簽天線分別比較了其長(zhǎng)度、諧振頻率、反射系數(shù)及方向圖隨分形階數(shù)的變化關(guān)系。 仿真結(jié)果表明，一維Hilbert分形標(biāo)簽天線在尺寸縮減的同時(shí)，具有較高的天線效率，適合于RFID標(biāo)簽應(yīng)用。

　　1 Hilbert分形天線的幾何描述

　　0至4 階的Hilbert分形結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 Hil2bert天線是1 /3等邊分形天線， 0階Hilbert天線各邊長(zhǎng)均為h. n階Hilbert天線總長(zhǎng)度為

由圖1可見， Hilbert天線輪廓的總面積保持不變，為h2. 隨著Hilbert分形迭代階數(shù)的增加， Hilbert曲線的長(zhǎng)度呈指數(shù)上升，趨近于無(wú)窮大，逐漸填充整個(gè)輪廓，此，Hilbert分形天線具有空間填充特性。

　　圖1　0～4階Hilbert分形結(jié)構(gòu)

　　2 二維Hilbert分形標(biāo)簽天線分析

　　根據(jù)圖1中的Hilbert分形結(jié)構(gòu)，文中提出了如圖2所示的二維Hilbert標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)。 本文取Hil2bert標(biāo)簽天線外部等邊長(zhǎng)h = 54mm, 0階Hilbert標(biāo)簽天線諧振頻率為915MHz. 用矩量法對(duì)0~2階的二維Hilbert標(biāo)簽天線進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3, 4 所圖3 二維Hilbert分形標(biāo)簽天線的方向圖仿真結(jié)果

圖2　二維Hilbert分形標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)

圖3　二維Hilbert分形標(biāo)簽天線的方向圖仿真結(jié)果

　　從圖3和表1可以看出，相對(duì)于相同縱向長(zhǎng)度的普通偶極子天線，隨著分形階數(shù)的增加， 0~2階二維Hilbert標(biāo)簽天線的方向圖基本保持不變，但諧振頻率逐漸減?。?2階二維Hilbert標(biāo)簽天線的諧振頻率約為410MHz,若要保持諧振頻率為915MHz,則2階二維Hilbert標(biāo)簽天線的等邊長(zhǎng)度約為0. 46 h.

　　雖然Hilbert分形結(jié)構(gòu)有效地減小了天線的電長(zhǎng)度，然而隨著分形階數(shù)的增加，二維Hilbert標(biāo)簽天線的增益和效率急劇下降， 2階二維Hilbert標(biāo)簽天線的效率僅為8. 83%. 這表明二維Hilbert分形結(jié)構(gòu)對(duì)標(biāo)簽天線的尺寸縮減是以降低天線增益和天線效率為代價(jià)的，不能滿足RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)的需要。

　　圖4　二維Hilbert分形標(biāo)簽天線的S11曲線

表1　二維Hilbert分形標(biāo)簽天線參數(shù)