CN101304117A

CN101304117A - 用于射频识别系统的分形双频带陶瓷天线

Info

Publication number: CN101304117A
Application number: CNA2008100713111A
Authority: CN
Inventors: 游佰强; 林斌; 周建华; 熊兆贤; 郑建森; 徐伟明; 叶志鹏
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: CN101304117B

Abstract

用于射频识别系统的分形双频带陶瓷天线，涉及一种微带天线。提供一种尺寸小、能够双频段工作、带宽大、回波损耗较低且具有全向辐射特性的用于射频识别系统的分形双频带陶瓷天线。设有陶瓷基板，陶瓷基板的两面均设镀银层，陶瓷基板的一面镀银层为分形天线辐射贴片，陶瓷基板的另一面镀银层为全镀银层，全镀银层为天线接地层；分形天线辐射贴片设有矩形的主片和支片，支片设有至少2级支片；第1级支片设有4片支片，后1级支片的数量依次是前1级支片数量的3倍；后1级支片的每1片支片的1个角与前1级支片的1片支片的1个角连接，每1级支片的每1片支片的另3个角分别与后1级支片的1片支片的1个角连接，主片上设有天线馈电点。

Description

用于射频识别系统的分形双频带陶瓷天线

技术领域

本发明涉及一种微带天线，尤其是涉及一种用于射频识别系统的分形双频带陶瓷天线。

背景技术

RFID是射频识别技术的英文Radio Frequency Identification的缩写。射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种用射频通信实现的非接触式自动识别技术。RFID标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理等，将此技术与互联网、通讯等技术相结合，用于物流、制造、公共信息服务等行业，可实现高效管理与运作，降低成本。随着安全软信息相关技术的不断完善和成熟，RFID系列产业将成为一个新兴的高技术产业群，成为国民经济新的增长点，对提升社会信息化水平、促进经济可持续发展、提高人民生活质量、增强公共安全与国防安全等方面都将产生深远的影响，并具有重大的战略性意义。可以预计RFID技术将成为继移动通讯技术、互联网技术之后又一项影响全球经济与人类生活的新一代技术。

天线设计及制造技术是射频识别技术的核心关键技术之一，天线的各项特性及形态大小，极大程度地影响了射频识别系统的工作性能及应用领域，随着RFID技术系列应用的飞速发展，人们对RFID天线在宽带化、小型化、宽标定无适应性、抗破坏性、多频段多网络兼容性等方面提出了更高的要求。天线在RFID系统中具有举足轻重的地位，对其进行深入的研究具有重要的参考价值和实用意义。

20世纪70年代，法国数学家B.B.Mandelbrot在总结了自然界中非规则几何图形后，第一次提出了分形这个概念，认为分形几何学可以处理自然界中那些极小规则的构型，指出分形几何将成为研究许多物理现象的有力工具。到了20世纪80年代，关于波与分形结构相互作用的研究促进了分形电动力学的发展，而分形天线正是分形电动力学的众多应用之一。它能够使得我们有效地设计小型化天线或把多个无线电通信元件集成到一块设备上。分形几何是通过迭代产生的具有自相似特性的几何结构，它的整体与局部之间以及局部与局部之间都具有自相似性，天线的分形设计是电磁理论与分形几何学的融合。研究发现，与传统天线相比，分形天线具有小型化、宽频带、多频工作、高辐射电阻、自加载等优点，能够很好的满足RFID系统对天线的要求。

射频识别系统的两个常用工作频段的频率范围分别为2.4～2.4835GHz和5.725～5.875GHz，其带宽要求分别为83.5MHz和150MHz。对于RFID系统的天线设计要求具有大带宽、小尺寸，且在整个方位平面上提供均匀覆盖，增益在0dB以上。

对于目前的RFID天线，常规的微带天线尺寸明显过大，且存在工作带宽小、难以实现双频段工作等缺点，即便通过插入短路针、使用馈电环路等技术来进行改进，效果仍不理想。射频识别技术的发展，迫切需要一款天线能够同时覆盖2.4～2.4835GHz和5.725～5.875GHz这两个工作频段。相比于传统的基底材料，陶瓷基底具有介电常数高、介质损耗小等优点，使用陶瓷基底可以有效缩小天线尺寸。目前，把陶瓷基底和分形天线结合起来实现双频带工作，并应用在RFID系统中2.4～2.4835GHz和5.725～5.875GHz这两个工作频段的相关技术未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种尺寸小、能够双频段工作、带宽大、回波损耗较低且具有全向辐射特性的用于射频识别系统的分形双频带陶瓷天线。

本发明采用了陶瓷基底和分形天线相结合的技术方案。

本发明设有双面镀银的陶瓷基板，陶瓷基板的两面均设镀银层，陶瓷基板的一面镀银层为分形天线辐射贴片，陶瓷基板的另一面镀银层为全镀银层，全镀银层为天线接地层；

分形天线辐射贴片设有矩形的主片和支片，主片位于陶瓷基板的中部，支片设有至少2级支片；第1级支片设有4片支片，后1级支片的数量依次是前1级支片数量的3倍；第1级支片的每1片支片的1个角与主片的1个角连接，第1级支片的每1片支片的另3个角分别与第2级支片的1片支片的1个角连接；以后每1级支片的每1片支片的1个角与前1级支片的1片支片的1个角连接，每1级支片的每1片支片的另3个角分别与后1级支片的1片支片的1个角连接，主片上设有天线馈电点。

分形天线辐射贴片最好以主片的中心线为基准，呈左右对称及上下对称结构。

第1级支片的每1片支片的1个角与主片的1个角连接最好是第1级支片的每1片支片的1个直角边与主片的1个直角边连接。

每1级支片的每1片支片的另3个角分别与后1级支片的1片支片的1个角连接是后1级支片的1片支片的1个直角边与前级支片的1片支片的1个直角边连接。

天线馈电点最好设在主片的下部且位于主片的横向中心线上。

陶瓷基板的相对介电常数最好为10。陶瓷基板最好为矩形基板，其尺寸最好是长度为34mm±1mm，宽度为30mm±1mm，厚度为3.0mm±0.05mm。主片的尺寸最好为20mm±0.5mm×10mm±0.5mm，第1级支片的第1片支片的尺寸最好为4mm±0.1mm×2mm±0.1mm，第2级支片的第1片支片的尺寸最好为2mm±0.05mm×1mm±0.05mm，第3级支片的第1片支片的尺寸最好为1mm ±0.01mm×0.5mm±0.01mm。

第1级支片的每1片支片与主片的连接部分长度最好为1mm；第2级支片的1片支片与第1级支片的1片支片的连接部分长度最好为1mm；第3级支片的1片支片与第2级支片的1片支片的连接部分长度最好为0.5mm。

同一级支片的每片支片的结构和尺寸最好相同。

与用于射频识别(RFID)系统的常规微带天线比较，本发明具有以下突出的优点和显著的效果：

尺寸小、带宽大、辐射特性好、能够双频段工作，其工作频带为2.37～2.76GHz和4.24～6.09GHz，其绝对带宽分别为0.39GHz和1.85GHz，其相对带宽分别为15.20％和35.82％，可完整覆盖RFID系统中的两个常用工作频段(2.4～2.4835GHz和5.725～5.875GHz)。天线尺寸为常规微带天线尺寸的20％，达到了小型化RFID天线的目的，完全可以将其放到RFID标签或读写器里。而且本发明具有结构简单、制造工艺简单、成本低、全向辐射性能佳和易于集成等优点。能够满足RFID应用系统中对天线的具体要求。

附图说明

图1为本发明实施例的分形天线辐射贴片结构示意图。图1中的虚线表示分形天线辐射贴片结构的对称线。

图2为本发明实施例回波损耗(S₁₁)性能图。图2中的横坐标表示频率Frequency(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度The return loss of the antenna(dB)。，

图3为本发明实施例的H面方向图。坐标为极坐标。

图4为本发明实施例的E面方向图。坐标为极坐标。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

参见图1，本发明设有双面镀银的陶瓷基板(图中未画出)，陶瓷基板的一面所镀银层为分形天线辐射贴片，陶瓷基板的另一面所镀银层为全镀银层，全镀银层为天线接地层。

分形天线辐射贴片设有矩形的主片1和支片，主片1位于陶瓷基板的中部，支片设有3级支片。第1级支片的数量为4片，每1片支片2的1个直角边与主片1的1个直角边连接，连接部分长度为1mm，余下的3个角分别通过各自的1个直角边与第2级支片的1片支片3的1个直角边连接，连接部分长度也为1mm。第2级支片的每1片支片3余下的3个角分别通过各自的1个直角边与第3级支片的1片支片4的1个直角边连接，连接部分长度为0.5mm。天线馈电点A设于主片1的横向中心线的下部。同级的每片支片的结构和尺寸相同。以主片1的中心线(虚线所示)为基准，分形天线辐射贴片为左右对称及上下对称结构。

陶瓷基板的相对介电常数为10。其尺寸是长度为34mm±1mm，宽度为30mm±1mm，厚度为3.0mm±0.05mm。主片1的尺寸为20mm±0.5mm×10mm±0.5mm，第1级支片的每1片支片2的尺寸为4mm±0.1mm×2mm±0.1mm，第2级支片的每1片支片3的尺寸为2mm±0.05mm×1mm±0.05mm，第3级支片的每1片支片4的尺寸为1mm±0.01mm×0.5mm±0.01mm。

参见表1，表1给出了本发明的制造加工误差对天线特性的影响情况。

表1

影响因数	工作频段2.37～2.76GHz，4.24～6.09GHz	S₁₁/dB2.37～2.76GHz，4.24～6.09GHz	两工作频段绝对带宽	两工作频段相对带宽
影响因数	工作频段2.37～2.76GHz，4.24～6.09GHz	S₁₁/dB2.37～2.76GHz，4.24～6.09GHz	两工作频段绝对带宽	两工作频段相对带宽	陶瓷基板尺寸34mm±1mm×30mm±1mm	不受影响，仍可覆盖	引起波动不超过2％。优于-10dB	优于0.39GHz，1.85GHz	优于15％，35％
陶瓷基板相对介电常数10、基板厚度3.0mm、镀银层厚度、主片与支片之间、两级支片之间的连接部分长度、馈电点位置等误差控制在5％以内	保证频段覆盖	引起波动不超过1％，优于-10dB	优于0.39GHz，1.85GHz	优于15％，35％	陶瓷基板尺寸34mm±1mm×30mm±1mm	不受影响，仍可覆盖	引起波动不超过2％。优于-10dB	优于0.39GHz，1.85GHz	优于15％，35％
	保证频段覆盖	引起波动不超过1％，优于-10dB	优于0.39GHz，1.85GHz	优于15％，35％	主片的尺寸20mm±0.5mm×10mm±0.5mm，第1级支片的尺寸为4mm±0.1mm×2mm±0.1mm，第2级支片的尺寸为2mm±0.05mm×1mm±0.05mm，第3级支片的尺寸为1mm±0.01mm×0.5mm±0.01mm	保证频段覆盖	引起波动不超过1％，优于-10dB	优于0.39GHz，1.85GHz	优于15％，35％

注：1.表中数据已有一定冗余，各参数之间有一定关联性，给出的是均衡特性，可根据需求特殊设计；2.需采用高性能微波低耗双面镀银陶瓷基板，tgδ＜0.002。

参见图2，图2给出了本发明实施例的回波损耗(S₁₁)性能图。从图2可以看出，天线的工作频带覆盖了2.37～2.76GHz和4.24～6.09GHz，工作频带内的回波损耗都在-10dB以下，两个工作频带内的最小回波损耗分别为-19.86dB和-16.72dB。天线回波损耗(S₁₁)性能在整个通频带内满足要求，天线的绝对带宽分别为0.39GHz和1.85GHz，其相对带宽分别为15.20％和35.82％，远优于常规的微带天线，可完整覆盖RFID系统中的两个常用工作频段(2.4～2.4835GHz和5.725～5.875GHz)。

参见图3，图3中可见，天线具有全向辐射特性，能够覆盖0°～360°的整个平面。

参见图4，图4中可见，天线主瓣在270°～90°之间。

将图3与图4对比可以看出，方向图上半部分的形状基本一致。

从天线回波损耗(S₁₁)性能图可以看出，天线已经覆盖了2.37～2.76GHz和4.24～6.09GHz这两个频带，达到了射频识别(RFID)系统对于天线的要求。从天线的H面和E面方向图可以看出，天线具有全向辐射特性。

Claims

1.用于射频识别系统的分形双频带陶瓷天线，其特征在于设有双面镀银的陶瓷基板，陶瓷基板的两面均设镀银层，陶瓷基板的一面镀银层为分形天线辐射贴片，陶瓷基板的另一面镀银层为全镀银层，全镀银层为天线接地层；

2.如权利要求1所述的用于射频识别系统的分形双频带陶瓷天线，其特征在于分形天线辐射贴片以主片的中心线为基准，呈左右对称及上下对称结构。

3.如权利要求1所述的用于射频识别系统的分形双频带陶瓷天线，其特征在于第1级支片的每1片支片的1个角与主片的1个角连接是第1级支片的每1片支片的1个直角边与主片的1个直角边连接。

4.如权利要求1所述的用于射频识别系统的分形双频带陶瓷天线，其特征在于每1级支片的每1片支片的另3个角分别与后1级支片的1片支片的1个角连接是后1级支片的1片支片的1个直角边与前级支片的1片支片的1个直角边连接。

5.如权利要求1所述的用于射频识别系统的分形双频带陶瓷天线，其特征在于天线馈电点设在主片的下部且位于主片的横向中心线上。

6.如权利要求1所述的用于射频识别系统的分形双频带陶瓷天线，其特征在于陶瓷基板的相对介电常数为10。

7.如权利要求1或6所述的用于射频识别系统的分形双频带陶瓷天线，其特征在于陶瓷基板为矩形基板，矩形基板尺寸是长度为34mm±1mm，宽度为30mm±1mm，厚度为3.0mm±0.05mm。

8.如权利要求1所述的用于射频识别系统的分形双频带陶瓷天线，其特征在于主片的尺寸为20mm±0.5mm×10mm±0.5mm，第1级支片的第1片支片的尺寸为4mm±0.1mm×2mm±0.1mm，第2级支片的第1片支片的尺寸为2mm±0.05mm×1mm±0.05mm，第3级支片的第1片支片的尺寸为1mm±0.01mm×0.5mm±0.01mm。

9.如权利要求1所述的用于射频识别系统的分形双频带陶瓷天线，其特征在于第1级支片的每1片支片与主片的连接部分长度为1mm；第2级支片的1片支片与第1级支片的1片支片的连接部分长度为1mm；第3级支片的1片支片与第2级支片的1片支片的连接部分长度为0.5mm。

10.如权利要求1所述的用于射频识别系统的分形双频带陶瓷天线，其特征在于同一级支片的每片支片的结构和尺寸相同。