基于Hilbert分形結(jié)構(gòu)的電子標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)研究

從表1可以看到，高頻點(diǎn)與低頻點(diǎn)的比值也約為1.85，保持恒定，可說明天線諧振點(diǎn)的分布也不是由基板厚度決定而是由天線的結(jié)構(gòu)決定的。

3.3 外圍封裝材料對天線的影響

當(dāng)標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)之后，在實(shí)際應(yīng)用中，需要將電子標(biāo)簽封裝起來使用。這樣，封裝材料的介電常數(shù)和厚度也會(huì)對天線性能產(chǎn)生一定的影響。有關(guān)這種影響的定量分析，可采用與以上分析類似的方法建模仿真并通過實(shí)測檢驗(yàn)。

4 實(shí)際應(yīng)用

本文根據(jù)Hilbert分形的原理設(shè)計(jì)了如圖2所示的電子標(biāo)簽，第一諧振頻率為0.93 GHz，但是未考慮基板材料的影響。這樣，將天線蝕刻在相對介電常數(shù)為4.4，厚度為0.2 mm的FR4材料上，用遠(yuǎn)望谷公司的XCRF-804閱讀器讀得距離約0.5 m左右(功率20 dBm)。鑒于此將天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，如圖10(b)所示。

這里，基板采用相對介電常數(shù)為4.4，厚度為0.2 mm的FR4-epoxy，從圖10可以看到，由于外界材料的影響，天線的尺寸逐漸減小。

從圖11可以看到，天線在諧振頻率0.915 GHz處的S11=-214.71 dB，而且具有較好的帶寬，駐波比為1.12，天線的輻射方向圖依然具有普通偶極子的低方向性。經(jīng)過實(shí)際測試，在20 dBm的功率條件下，閱讀距離可以達(dá)到4 m左右，與仿真不帶介質(zhì)基板的天線相比，閱讀距離有了很大提高，但是如果進(jìn)行包裝測試，則效果又會(huì)很差，這樣，就必須進(jìn)一步修改天線的尺寸。這里，基板的采用相對介電常數(shù)為4.4，厚度為0.2 mm的FR4-epoxy，實(shí)際中的封裝材料為TPU，這里采用相對介電常數(shù)為4的Polyimidequartz近似。天線上表面的厚度為1 mm，下表面的厚度為0.7 mm，如圖10(c)所示模型。仿真結(jié)果如圖12所示。

從圖12可以看到，反射系數(shù)為S11=-31.41 dB,，帶寬有了更進(jìn)一步提高。駐波比在諧振頻率處為1.06，可以看到，在諧振頻率915 MHz處，標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片實(shí)現(xiàn)了較好的共軛匹配，而且方向圖幾乎沒有變化。

從上面的仿真結(jié)果可以看出，盡管電子標(biāo)簽的阻抗匹配，帶寬和輻射方向都很好，但是從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，天線的增益很小約-4 dB，所以，在要求較高的條件下使用時(shí)，還必須對天線進(jìn)行修改，以提高天線的增益。

5 結(jié)語

在電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)中，綜合考慮基板材料、封裝材料對天線的影響是必要的。在仿真中考慮這些因素，可以減少在實(shí)際調(diào)試中對天線結(jié)構(gòu)的修改。

經(jīng)過仿真和實(shí)際測試，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)基板，封裝材料的相對介電常數(shù)和材料的厚度對天線諧振頻率點(diǎn)都有較大影響。即諧振頻率點(diǎn)隨著介電常數(shù)和基板厚度的增大而減小，對于分形天線，它們只影響諧振頻點(diǎn)的下降，但不會(huì)影響各個(gè)諧振頻點(diǎn)的相對位置。也就是說，分形天線具有多諧振點(diǎn)特征，但是多個(gè)諧振頻率之間的關(guān)系是由分形的結(jié)構(gòu)確定的，而不是由材料的介電常數(shù)和介質(zhì)厚度確定的。相對介電常數(shù)和材料的厚度對天線的輻射方向圖和天線增益不產(chǎn)生影響， 這種性質(zhì)也可用于天線小型化的設(shè)計(jì)中。