CN101399396B - 用于射频识别系统的光子带隙陶瓷谢尔宾斯基分形天线 - Google Patents
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Abstract
用于射频识别系统的光子带隙陶瓷谢尔宾斯基分形天线，涉及一种微带天线，尤其是涉及一种用于射频识别系统的光子带隙陶瓷谢尔宾斯基分形天线。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光子带隙陶瓷谢尔宾斯基分形天线。设有陶瓷基板，陶瓷基板的两面均设有镀银层，其中一面镀银层为谢尔宾斯基分形天线辐射贴片，另一面镀银层为天线接地层，天线接地层设有矩形孔阵列光子带隙结构，在谢尔宾斯基分形天线贴片上设有天线馈电点。
Description
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光子带隙陶瓷谢尔宾斯基分形天线。
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(B.B.Mandelbrot.“The Fractal Geometry ofNature”.New York，Freeman，1982，20-113)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。
谢尔宾斯基(Sierpinski)分形天线是一种典型的分形天线，Sierpinski分形结构的初始元为一正方形，将其九等分，去掉中间的一个，保留四条边，剩下八个小正方形，即构成一阶Sierpinski分形结构。将一阶Sierpinski分形结构的八个小正方形再分别进行九等分，各自去掉中间的一个，保留它们的边，得到二阶Sierpinski分形结构。按此迭代，可生成各高阶Sierpinski分形结构。Sierpinski分形天线具有良好的宽频带特性，在微带贴片天线中获得很好应用。此外，它还有助于改善辐射方向图和减小交叉极化。
上述内容可参见文献：[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]田铁红，周正.基于Sierp inski微带分形贴片天线的特性分析[J].无线电工程，2003：18-19；[5]钱四林，建超，黄华.分形理论在天线技术中的应用.山东通信技术，2007，2；[6]Baiqiang You，Jianhua Zhou，Hao Chen，＂The Application of PBG Configuration in Planar Spiral Antenna＂，ASID2007，44-47，ISBN1-4244-1034-7，EI：073910833338；[7]Bin Lin，Baiqiang You，Jianhua Zhou，＂The MicrostripAntenna with PBG used for3G System＂，ASID 2007，44-47，ISBN 1-4244-1034-7，EI：073910833356；[8]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。光子带隙(PBG，Photonic Band-Gap)结构由一种介质材料在另一种介质材料中周期分布所组成。这种结构可以通过缩放尺寸关系应用于很宽的频率范围，因此近几年来微波与毫米波领域的PBG结构应用越来越引起人们的关注。在PBG结构中，电磁波经周期性介质散射后，某些波段电磁波强度会因破坏性干涉而呈指数衰减，无法在该结构中传播，于是在频谱上形成带隙。PBG结构在微波领域，特别是微波电路和天线领域中有着巨大的应用价值，现已被广泛地应用到微波、毫米波波段的电路与器件的设计中。合理应用光子带隙结构能够改善天线的辐射特性，展宽天线的工作带宽。目前，把谢尔宾斯基(Sierpinski)分形天线、陶瓷基底材料、矩形孔阵列光子带隙结构结合起来，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光子带隙陶瓷谢尔宾斯基分形天线。
本发明采用了将陶瓷基底材料、谢尔宾斯基(Sierpinski)分形天线及矩形孔阵列光子带隙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有镀银层，其中一面镀银层为谢尔宾斯基分形天线辐射贴片，另一面镀银层为天线接地层，天线接地层设有矩形孔阵列光子带隙结构，在谢尔宾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26。
陶瓷基板的形状优选矩形，最好为正方形，正方形陶瓷基板的尺寸最好是边长为30mm±1mm，厚度为3.0mm±0.05mm。
谢尔宾斯基分形天线辐射贴片的结构最好为至少2阶的谢尔宾斯基分形天线结构。
天线馈电点最好设在谢尔宾斯基分形天线贴片的中部下边沿处且位于谢尔宾斯基分形天线贴片的横向中心线上。
矩形孔阵列光子带隙结构可设有3行2列共6个正方形孔。矩形孔阵列光子带隙结构的各个正方形孔的尺寸最好相同。每个矩形孔的尺寸最好是边长为6mm±0.1mm，宽度为6mm±0.1mm。每行中相邻两个矩形孔的间距最好为4mm±0.1mm，每列中相邻两个矩形孔的间距最好为3mm±0.1mm。矩形孔阵列光子带隙结构上边沿和下边沿分别与陶瓷基板上边沿和下边沿的距离最好均为3mm±0.1mm，矩形阵列光子带隙结构的左边沿和右边沿分别与陶瓷基板左边沿和右边沿的距离最好均为7mm±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2.267～2.494GHz，其绝对带宽为0.227GHz，其相对带宽为9.66％，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为本发明实施例的谢尔宾斯基分形天线辐射贴片结构示意图。
图2为本发明实施例的矩形孔阵列光子带隙结构示意图。
图3为本发明实施例的回波损耗(S11)性能图。图3中的横坐标表示频率Frequency(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度Thereturnloss.of the antenna(dB)。
图4为本发明实施例的H面方向图。坐标为极坐标。
图5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
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
参见图1和2，本发明设有双面镀银的陶瓷基板1，陶瓷基板1的两面均设镀银层，陶瓷基板1的一面镀银层为谢尔宾斯基(Sierpinski)分形天线辐射贴片(如图1所示，为三阶分形贴片结构)，陶瓷基板1的另一面镀银层为天线接地层，在天线接地层上刻蚀有矩形孔阵列光子带隙结构(如图2所示，由3行2列共6个正方形孔5组成)。
陶瓷基板1的相对介电常数为26。陶瓷基板1为矩形基板，其尺寸是长度为30mm±1mm，宽度为30mm±1mm，厚度为3.0mm±0.05mm。
参见图1，三阶的谢尔宾斯基(Sierpinski)分形天线辐射贴片采用迭代生成方式生成。初始单元方贴片1的直线边长为30mm±0.05mm，按行列划分为9等分区域，将等分后居中的那个1/9区域制成1个大的正方形孔2，剩下8个等分的正方形区域，即构成一阶谢尔宾斯基(Sierpinski)分形结构。在一阶谢尔宾斯基(Sierpinski)分形结构的基础上将剩下的8个等分的正方形区域分别再按行列划分为9等分区域，再将各等分区域的居中的那个区域制成1个正方形孔3，所形成的8个正方形孔3的尺寸相同，即得到二阶谢尔宾斯基(Sierpinski)分形结构。按此继续迭代，即可生成本发明实施例的三阶分形结构的谢尔宾斯基(Sierpinski)分形天线辐射贴片，其结构形成1个大的正方形孔2，8个次大的正方形孔3，64个小的正方形孔4。
本发明可继续迭代生成为三阶以上的谢尔宾斯基(Sierpinski)分形天线辐射贴片。
天线馈电点A设在谢尔宾斯基(Sierpinski)分形天线贴片的中部下边沿处且位于谢尔宾斯基(Sierpinski)分形天线贴片的横向中心线上。
参见图2，天线接地层上刻蚀有矩形孔阵列光子带隙结构，由3行2列共6个正方形孔5组成。矩形孔阵列光子带隙结构的各个正方形孔的尺寸相同。每个正方形孔5的边长为6mm±0.1mm，宽度为6mm±0.1mm。每行中相邻两个正方形孔的间距为4mm±0.1mm，每列中相邻两个正方形孔的间距为3mm±0.1mm。矩形孔阵列光子带隙结构上边沿和下边沿分别与陶瓷基板上边沿和下边沿的距离均为3mm±0.1mm，矩形阵列光子带隙结构的左边沿和右边沿分别与陶瓷基板左边沿和右边沿的距离均为7mm±0.1mm。
本发明的制造加工误差对天线特性的影响情况参见表1。
表1
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3，图3给出了本发明实施例的回波损耗(S11)性能图。从图3可以看出，天线的工作频带覆盖了2.267～2.494GHz，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—16.39dB。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0.227GHz，其相对带宽为9.66％，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4，图4中可见，天线主瓣在40°～320°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5，图5中可见，天线有两个瓣，一个在30°～90°之间，另一个在270°～330°之间。
将图4与图5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3)可以看出，天线已经覆盖了2.267～2.494GHz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 (6)
1.用于射频识别系统的光子带隙陶瓷谢尔宾斯基分形天线，其特征在于设有陶瓷基板，陶瓷基板的两面均设有镀银层，其中一面镀银层为设有天线馈电点的谢尔宾斯基分形天线辐射贴片，另一面镀银层为天线接地层，天线接地层设有矩形孔阵列光子带隙结构；
所述谢尔宾斯基分形天线辐射贴片的结构为至少2阶的谢尔宾斯基分形曲线所构成的结构；
所述天线馈电点设在谢尔宾斯基分形天线贴片的中部下边沿处且位于谢尔宾斯基分形天线贴片的横向中心线上。
2.如权利要求1所述的用于射频识别系统的光子带隙陶瓷谢尔宾斯基分形天线，其特征在于陶瓷基板的相对介电常数为26。
3.如权利要求1所述的用于射频识别系统的光子带隙陶瓷谢尔宾斯基分形天线，其特征在于陶瓷基板的形状为矩形。
4.如权利要求3所述的用于射频识别系统的光子带隙陶瓷谢尔宾斯基分形天线，其特征在于陶瓷基板的形状为正方形，正方形的陶瓷基板的尺寸是边长为30mm±1mm，厚度为3.0mm±0.05mm。
5.如权利要求1所述的用于射频识别系统的光子带隙陶瓷谢尔宾斯基分形天线，其特征在于矩形孔阵列光子带隙结构设有3行2列共6个正方形孔。
6.如权利要求5所述的用于射频识别系统的光子带隙陶瓷谢尔宾斯基分形天线，其特征在于矩形孔阵列光子带隙结构的各个正方形孔的尺寸相同，每个正方形孔的尺寸是边长为6mm±0.1mm，宽度为6mm±0.1mm，每行中相邻两个矩形孔的间距为4mm±0.1mm，每列中相邻两个矩形孔的间距为3mm±0.1mm，矩形孔阵列光子带隙结构上边沿和下边沿分别与陶瓷基板上边沿和下边沿的距离均为3mm±0.1mm，矩形阵列光子带隙结构的左边沿和右边沿分别与陶瓷基板左边沿和右边沿的距离均为7mm±0.1mm。
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