基于電子商務(wù)物流業(yè)務(wù)電子標(biāo)簽的雙頻分形天線研究

本文針對(duì)RFID系統(tǒng)雙頻工作的要求，設(shè)計(jì)了兩款能夠雙頻帶工作的π型分形折疊偶極子天線，使其能夠同時(shí)覆蓋現(xiàn)代電子商務(wù)物流RFID 系統(tǒng)常用的兩個(gè)工作頻段：0.902~0.928 GHz和2.4~2.483 5 GHz,且在兩個(gè)工作頻段都有較好的性能，分別仿真并測(cè)試了兩款天線的回波損耗和方向圖特性。

0 引言

電子商務(wù)作為一個(gè)新的業(yè)務(wù)形態(tài)正逐步成為商業(yè)的主流，電子商務(wù)企業(yè)開展業(yè)務(wù)過(guò)程中市場(chǎng)營(yíng)銷和推廣活 動(dòng)面對(duì)的是全網(wǎng)用戶，龐大的客戶群會(huì)在活動(dòng)的短時(shí)間內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生大量的物流需求。在2012年淘寶雙11節(jié)的促銷活動(dòng)中，當(dāng)日產(chǎn)生8 000多萬(wàn)單的快件，而目前我國(guó)整個(gè)物流行業(yè)單日運(yùn)力之和僅有1 600萬(wàn)~2 000萬(wàn)單左右，沒(méi)有更加科技化和自動(dòng)化手段支持的物流系統(tǒng)無(wú)法滿足電子商務(wù)物流業(yè)務(wù)的需求，無(wú)法有效支撐網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。借助電子標(biāo)簽技術(shù)的現(xiàn)代化電子 商務(wù)物流揀貨系統(tǒng)需要逐步建設(shè)和推廣。自動(dòng)化的電子標(biāo)簽揀貨系統(tǒng)一般包括主機(jī)、控制器、電子標(biāo)簽、系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)、機(jī)械設(shè)備等，通過(guò)系統(tǒng)化的統(tǒng)一服務(wù)， 可以大幅度地提高分揀效率，減少誤撿率，從而提高電子商務(wù)物流的整體效率。

電子標(biāo)簽即射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)是20 世紀(jì)90 年代開始興起的一種用射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。與傳統(tǒng)的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)如條形碼相比，RFID技術(shù)具有很多優(yōu)勢(shì)：可以定向或不定向的遠(yuǎn)距離讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，無(wú)需保持識(shí)別的目標(biāo)可見(jiàn)，可以透過(guò)外部非屏蔽材料讀 取數(shù)據(jù)，可以在復(fù)雜環(huán)境下工作，可以同時(shí)處理多個(gè)電子標(biāo)簽，可以儲(chǔ)存的信息量較大等等。天線是一種將無(wú)線電收發(fā)信機(jī)的射頻功率信號(hào)以電磁波的形式接收或輻 射出去的器件，天線所形成的電磁場(chǎng)強(qiáng)度和有效作用范圍決定了RFID 系統(tǒng)的識(shí)別距離和范圍，因此天線設(shè)計(jì)及制造技術(shù)是RFID的核心關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 雙頻RFID系統(tǒng)對(duì)天線的要求

當(dāng)前，國(guó)際上RFID 系統(tǒng)兩個(gè)常用工作頻段的頻率范圍分別為0.902~0.928 GHz 和2.4~2.483 5 GHz,其帶寬要求分別為26 MHz和83.5 MHz.由于傳統(tǒng)的天線只能工作在單一的頻段范圍內(nèi)，應(yīng)用傳統(tǒng)天線的RFID 標(biāo)簽只能被工作在某一頻率上的讀寫設(shè)備所讀取，若更換不同頻率的讀寫設(shè)備，則標(biāo)簽失效，這限制了RFID 系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。而應(yīng)用了雙頻天線的RFID 標(biāo)簽使問(wèn)題變得簡(jiǎn)單，它可以被工作在兩個(gè)頻段的讀寫設(shè)備識(shí)別，具有良好的頻率兼容性?，F(xiàn)有的雙頻RFID天線兩個(gè)工作頻段的性能常出現(xiàn)不平衡，呈現(xiàn)“一主 一從”的輻射特性，天線在兩個(gè)工作頻段的回波損耗和帶寬有較大差異，限制了雙頻RFID天線的應(yīng)用。

一款性能良好的雙頻RFID 天線，必須能夠同時(shí)覆蓋現(xiàn)代RFID系統(tǒng)兩個(gè)常用工作頻段：0.902~0.928 GHz和2.4~2.483 5 GHz,且在兩個(gè)工作頻段都有較好的性能，天線 的 回 波 損 耗 （S11） 值 在 兩 個(gè) 工 作 頻 帶 內(nèi) 都 應(yīng)在-10 dB以下，低頻段的回波損耗最小值應(yīng)小于-20 dB,工作帶寬應(yīng)大于100 MHz;高頻段的回波損耗最小值應(yīng)小于-20 dB,工作帶寬應(yīng)大于200 MHz;天線在兩個(gè)工作頻段都應(yīng)有全向輻射特性。

2 π型分形折疊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

分形天線是把天線輻射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為分形結(jié)構(gòu)的天線，其整體與局部以及局部和局部之間都具有自相似性，多層次的自相似性使得分形天線上的射頻電流得到均勻分布，因此天線具備寬頻工作特性。

π型分形結(jié)構(gòu)是一種線式分形結(jié)構(gòu)，其迭代構(gòu)造過(guò)程如下：將一條一定長(zhǎng)度的直線段分為三段，分別在左 右兩段橫向線段和中段橫向線段間插入兩段縱向線段，即構(gòu)成一個(gè)1 階π型折線。對(duì)1 階π型分形折線的所有直線段依次進(jìn)行π型分形折疊，則生成了2 階π型分形折線，如圖1所示。

3 1 階雙頻π型分形折疊偶極子天線的設(shè)計(jì)與制作

在遠(yuǎn)距離耦合的RFID 應(yīng)用系統(tǒng)中，最常用的是偶極子天線。典型的偶極子天線由兩段同樣粗細(xì)和等長(zhǎng)的直導(dǎo)線排成一條直線構(gòu)成。為了縮小天線的尺寸，使之可以放進(jìn)RFID 標(biāo)簽或讀寫器中，采用π型分形折疊技術(shù)對(duì)偶極子天線臂進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)中，在一個(gè)偶極子天線的橫向臂上添加兩個(gè)折疊臂。折疊臂的形狀為變形π型分形折疊結(jié)構(gòu)，如圖 2所示。使用FR4介質(zhì)板作為天線的介質(zhì)基板。介質(zhì)板厚度為h = 1.5 mm,相對(duì)介電常數(shù)εr = 3.7.天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，天線尺寸為95 mm×40 mm.

　　在忽略天線粗細(xì)的橫向影響下，偶極子天線設(shè)計(jì)可以取天線臂的長(zhǎng)度為λ/4 的整數(shù)倍。在設(shè)計(jì)中，為了使偶極子天線有更大的帶寬和更好的輻射特性，采用了全波偶極子天線的設(shè)計(jì)方案。偶極子天線臂需滿足以下條件：