CN101383447A - 用于射频识别系统的矩形宽缝陶瓷明可夫斯基分形天线 - Google Patents

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用于射频识别系统的矩形宽缝陶瓷明可夫斯基分形天线，涉及一种微带天线，尤其是涉及一种用于射频识别系统的矩形宽缝陶瓷明可夫斯基分形天线。提供一种尺寸小、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矩形宽缝陶瓷明可夫斯基分形天线。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明可夫斯基分形天线辐射贴片，陶瓷基板的另一面镀银层为天线接地层，天线接地层设有矩形宽缝结构，明可夫斯基分形天线贴片上设有天线馈电点。

Description

用于射频识别系统的矩形宽缝陶瓷明可夫斯基分形天线
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矩形宽缝陶瓷明可夫斯基分形天线。
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。
射频识别系统的常用工作频段的频率范围为2.4～2.4835GHz，其带宽要求为83.5MHz。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。
明可夫斯基(Minkowski)分形天线是一种典型的分形天线，明可夫斯基(Minkowski)分形结构迭代生成方式如图1所示。设初始单元方贴片M0的直线边长为L，将其三等分挖去中间位置宽度为L/3、深度为h的矩形区域，即形成一个L/3×h的矩形缺口。设缺口的深度与宽度之比为p，即p＝3h/L(0<p<1)表示缺口深度的相对大小。通过改变p值，可以得到不同的1阶Minkowski分形贴片M1。对1阶Minkowski分形贴片的所有直线边三等分，按照相同的p值依次迭代生成了2阶Minkowski分形贴片M2。这样迭代下去，可生成高阶的Minkowski分形曲线，由该曲线围成的贴片即明可夫斯基(Minkowski)分形天线贴片。
以上内容可参见文献：[1]B.B.Mandelbrot.“The Fractal Geometry of Nature”.New York，Freeman，1982，20-113；[2]D.L.Jaggard.“On Fractal Electrodynamics Recent Advances inElectromagnetic Theory”，New York，Springer-Verlag，1990，183-224；[3]刘英，龚书喜，傅德民.分形天线的研究进展.电波科学学报，2002，17(1):55-58；[4]张辉，付云起，朱畅，袁乃昌.基于Minkowski分形边界的微带贴片天线.微波学报，2006，12；[5]BaiqiangYou，JianhuaZhou，Hao Chen，＂The Application of PBG Configuration in Planar Spiral Antenna＂，ASID 2007，44-47，ISBN1-4244-1034-7，EI：073910833338；[6]Bin Lin，BaiqiangYou，Jianhua Zhou，＂TheMicrostrip Antenna with PBG used for 3G System＂，ASID 2007，44-47，ISBN 1-4244-1034-7，EI：073910833356；[7]汤伟，林斌，周建华，游佰强，“一种小型化RFID标签天线的仿真设计”，厦门大学学报(自然科学版)，2008，47：50-54。
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覆盖2.4～2.4835GHz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。在微带天线中使用宽缝结构能够有效地展宽天线的工作频带，扩大天线的适用范围。目前，把陶瓷基底、矩形宽缝结构和明可夫斯基(Minkowski)分形天线结合起来，并应用在RFID系统中2.4～2.4835GHz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、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矩形宽缝陶瓷明可夫斯基分形天线。
本发明采用了明可夫斯基(Minkowski)分形天线、陶瓷基底材料、矩形宽缝结构相结合的技术方案。
本发明设有陶瓷基板，陶瓷基板的两面均设镀银层，陶瓷基板的一面镀银层为明可夫斯基分形天线辐射贴片，陶瓷基板的另一面镀银层为天线接地层，天线接地层设有矩形宽缝结构，明可夫斯基分形天线贴片上设有天线馈电点。
陶瓷基板的相对介电常数最好为15。
陶瓷基板优选矩形基板，最好为正方形基板，其尺寸最好是长度为30mm±1mm，宽度为30mm±1mm，厚度为2.0mm±0.05mm。
明可夫斯基分形天线辐射贴片的结构形状为至少2阶的明可夫斯基分形曲线所构成的结构形状。
明可夫斯基分形天线辐射贴片采用如图1所示的明可夫斯基分形结构迭代生成方式生成。初始单元方贴片M0的直线边长L为27mm±0.05mm，位于陶瓷基板的中部。将初始单元方贴片M0的所有直线边三等分挖去中间位置宽度为L/3，即9mm±0.05mm，深度h为4.5mm±0.05mm的矩形区域，即在初始单元方贴片M0的所有直线边上都形成一个L/3×h的矩形缺口，由此得到1阶明可夫斯基分形结构贴片M1。缺口的深度与宽度之比为p＝3h/L＝0.5。对1阶明可夫斯基分形贴片的所有直线边三等分，按照相同的p值依次迭代生成了2阶的明可夫斯基分形结构贴片M2。依此继续迭代下去，可生成高阶的明可夫斯基分形结构贴片，即明可夫斯基分形天线贴片。
天线馈电点最好设在明可夫斯基分形天线贴片的中部下边沿处且位于明可夫斯基分形天线贴片的横向中心线上。
所述矩形宽缝结构刻蚀在天线接地层上，矩形宽缝结构的尺寸可采用长度为22mm±0.1mm，宽度为16mm±0.1mm。矩形宽缝结构的上边沿与陶瓷基板的上边沿的距离为3mm±0.1mm，矩形宽缝结构的下边沿与陶瓷基板的下边沿的距离为11mm±0.1mm，矩形宽缝结构的左边沿与陶瓷基板的左边沿的距离为4mm±0.1mm，矩形宽缝结构的右边沿与陶瓷基板的右边沿的距离为4mm±0.1mm。
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，其工作频带为2.342～2.563GHz，其绝对带宽为0.221GHz，其相对带宽为9.02％，可完整覆盖RFID系统中2.4～2.4835GHz工作频段。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为现有的明可夫斯基(Minkowski)分形结构迭代生成方式。在图1中，M0为0阶分形(初始单元方贴片)，L为直线边长；M1为1阶分形(一次迭代)，直线边长L三等分挖去中间位置形成的矩形缺口宽度为L/3，深度为h；M2为2阶分形(二次迭代)。
图2为本发明实施例的2阶明可夫斯基(Minkowski)分形天线辐射贴片结构示意图。
图3为本发明实施例的矩形宽缝结构示意图。
图4为本发明实施例的回波损耗(S11)性能图。图4中的横坐标表示频率Frequency(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度Thereturn loss.of the antenna(dB)。
图5为本发明实施例的H面方向图。坐标为极坐标。
图6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2和3，本发明设有双面镀银的陶瓷基板1，陶瓷基板的两面均设镀银层，陶瓷基板的一面镀银层为明可夫斯基分形天线辐射贴片2，陶瓷基板的另一面镀银层为天线接地层，天线接地层刻蚀有矩形宽缝结构3。
陶瓷基板1的相对介电常数为15。陶瓷基板1为矩形(正方形)基板，其尺寸是边长为30mm±1mm，厚度为2.0mm±0.05mm。
明可夫斯基分形天线辐射贴片2的结构形状为2阶明可夫斯基分形曲线所构成的结构形状。
2阶的明可夫斯基分形天线辐射贴片2采用如图1所示的明可夫斯基分形结构迭代生成方式生成。初始单元方贴片M0的直线边长L为27mm±0.05mm，位于陶瓷基板的中部。将初始单元方贴片M0的所有直线边三等分挖去中间位置宽度为L/3，即9mm±0.05mm，深度h为4.5mm±0.05mm的矩形区域，即在初始单元方贴片M0的所有直线边上都形成一个L/3×h的矩形缺口，由此得到1阶明可夫斯基分形贴片M1。缺口的深度与宽度之比为p＝3h/L＝0.5。对1阶明可夫斯基分形贴片的所有直线边三等分，按照相同的p值依次迭代生成了2阶分形贴片M2。这样迭代下去，可生成高阶的明可夫斯基分形曲线，由该曲线构成的结构形状贴片即为明可夫斯基分形天线贴片。
天线馈电点A设在明可夫斯基分形天线贴片的中部下边沿处且位于明可夫斯基分形天线贴片的横向中心线上。
天线接地层上刻蚀有矩形宽缝结构3(即矩形孔结构)，矩形宽缝结构3的尺寸是长度为22mm±0.1mm，宽度为16mm±0.1mm。矩形宽缝结构3的上边沿与陶瓷基板的上边沿的距离为3mm±0.1mm，矩形宽缝结构3的下边沿与陶瓷基板1的下边沿的距离为11mm±0.1mm，矩形宽缝结构3的左边沿与陶瓷基板1的左边沿的距离为4mm±0.1mm，矩形宽缝结构3的右边沿与陶瓷基板1的右边沿的距离为4mm±0.1mm。
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2.342～2.563GHz S11/dB2.342～2.563GHz 绝对带宽 相对带宽
陶瓷基板尺寸30mm±1mm×30mm±1mm 不受影响，仍可覆盖 引起波动不超过2％。优于—10dB 优于0.22GHz 优于9％
陶瓷基板相对介电常数15、基板厚度2.0mm、镀银层厚度、初始单元方贴片M0的直线边长、馈电点位置等误差控制在2％以内 保证频段覆盖 引起波动不超过1％，优于—10dB 优于0.22GHz 优于9％
矩形宽缝结构尺寸22mm±0.1mm×16mm±0.1mm 保证频段覆盖 引起波动不超过1％，优于—10dB 优于0.22GHz 优于9％
矩形宽缝结构的各边沿与陶瓷基板的各边沿的距离误差控制在0.1mm以内 保证频段覆盖 引起波动不超过1％，优于—10dB 优于0.22GHz 优于9％
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4，图4给出了本发明实施例的回波损耗(S11)性能图。从图4可以看出，天线的工作频带覆盖了2.342～2.563GHz，工作频带内的回波损耗都在—10dB以下，工作频带内的最小回波损耗为—43.44dB。天线回波损耗(S11)性能在整个通频带内满足要求，天线的绝对带宽为0.221GHz，其相对带宽为9.02％，远优于常规的微带天线，可完整覆盖RFID系统中的2.4～2.4835GHz工作频段。
参见图5，图5中可见，天线主瓣在60°～300°之间，基本上覆盖了大部分角度，所以本发明具有全向辐射特性。
参见图6，图6中可见，天线有两个瓣，一个在20°～90°之间，另一个在270°～340°之间。
将图5与图6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(参见图4)可以看出，天线已经覆盖了2.342～2.563GHz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 (8)

1、用于射频识别系统的矩形宽缝陶瓷明可夫斯基分形天线，其特征在于设有双面镀银的陶瓷基板，陶瓷基板的一面镀银层为设有天线馈电点的明可夫斯基分形天线辐射贴片，陶瓷基板的另一面镀银层为天线接地层，天线接地层设有矩形宽缝结构，明可夫斯基分形天线贴片上设有天线馈电点。
2、如权利要求1所述的用于射频识别系统的矩形宽缝陶瓷明可夫斯基分形天线，其特征在于陶瓷基板的相对介电常数为15。
3、如权利要求1所述的用于射频识别系统的矩形宽缝陶瓷明可夫斯基分形天线，其特征在于陶瓷基板为矩形陶瓷基板。
4、如权利要求3所述的用于射频识别系统的矩形宽缝陶瓷明可夫斯基分形天线，其特征在于矩形陶瓷基板为正方形陶瓷基板，其尺寸是边长为30mm±1mm，厚度为2.0mm±0.05mm。
5、如权利要求1所述的用于射频识别系统的矩形宽缝陶瓷明可夫斯基分形天线，其特征在于明可夫斯基分形天线辐射贴片的结构形状为至少2阶的明可夫斯基分形曲线所构成的结构形状。
6、如权利要求1所述的用于射频识别系统的矩形宽缝陶瓷明可夫斯基分形天线，其特征在于天线馈电点设在明可夫斯基分形天线贴片的中部下边沿处且位于明可夫斯基分形天线贴片的横向中心线上。
7、如权利要求1所述的用于射频识别系统的矩形宽缝陶瓷明可夫斯基分形天线，其特征在于矩形宽缝结构刻蚀在天线接地层上，矩形宽缝结构的尺寸是长度为22mm±0.1mm，宽度为16mm±0.1mm。
8、如权利要求1所述的用于射频识别系统的矩形宽缝陶瓷明可夫斯基分形天线，其特征在于矩形宽缝结构的上边沿与陶瓷基板的上边沿的距离为3mm±0.1mm，矩形宽缝结构的下边沿与陶瓷基板的下边沿的距离为11mm±0.1mm，矩形宽缝结构的左边沿与陶瓷基板的左边沿的距离为4mm±0.1mm，矩形宽缝结构的右边沿与陶瓷基板的右边沿的距离为4mm±0.1mm。
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