基于Hilbert分形結(jié)構(gòu)的RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)

現(xiàn)代社會產(chǎn)品越來越豐富，數(shù)據(jù)管理需求也越來越高，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、管理和定位。采用傳統(tǒng)的條形碼進(jìn)行物品標(biāo)識將會帶來一系列的不便：無法進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的識別，需要人工干預(yù)、許多物品無法標(biāo)識等等。相反，由于射頻識別fRFID1系統(tǒng)采用具有穿透性的電磁波進(jìn)行識別，所以可以進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的識別，無須人工干預(yù)，可以標(biāo)識多種多樣的物品。

　　射頻識別技術(shù)是一種非接觸的自動識別技術(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線通信系統(tǒng)。射頻識別中的標(biāo)簽是射頻識別標(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標(biāo)簽和被動標(biāo)簽。主動標(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)出的電磁場或者電磁波獲得能量激活芯片，并調(diào)節(jié)射頻識別標(biāo)簽芯片與標(biāo)簽天線的匹配程度，將儲存在標(biāo)簽芯片中的信息反饋給讀寫器。因此。射頻識別標(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)簽天線是射頻識別在我國得到廣泛普及的關(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，并對兩種分形標(biāo)簽天線分別比較了其長度、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天線各邊長均為h. n階Hilbert天線總長度為

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曲線的長度呈指數(shù)上升，趨近于無窮大，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h = 54mm, 0階Hilbert標(biāo)簽天線諧振頻率為915MHz. 用矩量法對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，相對于相同縱向長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，但諧振頻率逐漸減小： 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)
3 一維Hilbert分形標(biāo)簽天線分析

　　為了提高Hilbert分形結(jié)構(gòu)的RFID標(biāo)簽天線的效率，本文提出了另一種形式的Hilbert標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)，如圖5所示。 諧振頻率為915MHz的半波振子天線長度2L = 149mm. 取三等分彎折線，各彎折線段長度均為h = 2417mm,在彎折線部分采用Hilbert分形變換，彎折線天線為0階Hilbert標(biāo)簽天線。

　　用矩量法對一維Hilbert標(biāo)簽天線進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6, 7所示，天線參數(shù)見表2.

　　圖5　一維Hilbert分形標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)

圖6　一維Hilbert分形標(biāo)簽天線的方向圖仿真結(jié)果

圖7　一維Hilbert分形標(biāo)簽天線的S11曲線

　　從圖6和表2可以看出，一維Hilbert分形標(biāo)簽天線的方向圖基本相同，諧振頻率隨階數(shù)的增加不斷下降，但下降幅度逐漸趨緩。 2階一維Hilbert標(biāo)簽天線的諧振頻率下降到半波偶極子天線諧振頻率的49. 2%時(shí)，其天線效率為62. 91% ,是2階二維Hil2bert標(biāo)簽天線效率（8. 83% ）的7. 1倍。 這說明了一維Hilbert結(jié)構(gòu)的分形天線在縮減天線尺寸的同時(shí)，能夠保持標(biāo)簽天線的性能不急劇下降。 經(jīng)過推算，在915MHz諧振頻率下， 2 階一維Hilbert分形標(biāo)簽天線的兩臂長度約為半波振子天線長度的50% ,具有較好的尺寸縮減特性。

　　表2　一維Hilbert分形標(biāo)簽天線參數(shù)

4　試驗(yàn)測試

根據(jù)前面Hilbert天線的仿真結(jié)果，制作了如圖8所示的1階一維Hilbert分形標(biāo)簽天線。

　　圖8　1階一維Hilbert分形標(biāo)簽天線

　　天線兩端的直線長度為50mm, Hilbert分形高度為20mm,饋點(diǎn)間距1mm,測得915MHz頻率處天線的等效輸入阻抗為15 + j245. 采用的標(biāo)簽IC是Atmel公司的ATA5590,芯片IC端口阻抗為12 -j217,符合RFID國際標(biāo)準(zhǔn)EPC Class1 Gen2.

　　使用的閱讀器是AW ID公司的MPR23014閱讀器，支持EPC Class1 Gen2 標(biāo)準(zhǔn)。 在天線輻射功率4W、中心頻率915MHz、標(biāo)簽天線面與閱讀器天線面水平的試驗(yàn)條件下，閱讀距離為5. 6m. 根據(jù)報(bào)導(dǎo)，偶極子RFID 標(biāo)簽在RFID 閱讀器輸出4W射頻功率的條件下可以達(dá)到7. 2m的識別距離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文制作的RFID 標(biāo)簽天線的性能基本達(dá)到應(yīng)用的要求。

　　5 結(jié)論

　　Hilbert分形結(jié)構(gòu)天線由于其具有空間填充特性，有利于RFID標(biāo)簽天線的小型化設(shè)計(jì)。 隨著分形階數(shù)的不斷增加，與二維Hilbert標(biāo)簽天線相比，一維Hilbert標(biāo)簽天線在具備尺寸縮減特性的同時(shí)，有效地保持了天線的效率不急劇下降。 運(yùn)用一維Hil2bert標(biāo)簽天線，可以實(shí)現(xiàn)諧振在915MHz的小型化高效率的RFID標(biāo)簽天線。