CN101533952A

CN101533952A - 介电常数渐变陶瓷树状分形偶极子天线

Info

Publication number: CN101533952A
Application number: CN200910111457A
Authority: CN
Inventors: 游佰强; 林斌; 周建华; 熊兆贤; 郑建森; 徐伟明
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2009-09-16

Abstract

介电常数渐变陶瓷树状分形偶极子天线，涉及一种偶极子天线。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介电常数渐变陶瓷树状分形偶极子天线。设有单面镀银的陶瓷基板，镀银层为树状分形偶极子天线辐射贴片。陶瓷基板由至少9层介电常数渐变的陶瓷材料层构成，各层陶瓷材料层的介电常数呈等差直线性变化。各层陶瓷材料层最好为矩形陶瓷材料层，各层陶瓷材料层的尺寸相同，长度为26mm±1mm，宽度为12mm±1mm，厚度为0.1mm±0.01mm。不仅尺寸小、带宽大、辐射特性好，而且结构简单、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。

Description

介电常数渐变陶瓷树状分形偶极子天线

技术领域

本发明涉及一种偶极子天线，尤其是涉及一种介电常数渐变陶瓷树状分形偶极子天线。

背景技术

RFID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，近年来已经获得了一系列的成果。其中，一些成果已经开始在众多领域中得到实际应用，并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。从长远的观点看，这项技术与互联网、通讯等技术紧密结合，应用于物流、制造、公共信息服务等众多行业，可实现高效管理与运作，使之进一步提升高新技术含量。

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0.902～0.928GHz，其带宽要求为26MHz。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。

树状分形天线是一种典型的分形天线。树状分形结构的初始元为一条线段，在其末端连接上与原线段夹角为45°的两条长度为原线段一半的线段，即构成一阶树状分形结构。在一阶树状分形结构的末端线段的末端，连接上与原末端线段夹角为45°的两条长度为原末端线段一半的线段，得到二阶树状分形结构。按此迭代，可生成各高阶树状分形结构。树状分形天线具有良好的宽频带特性，在微带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。

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0.902～0.928GHz工作频段。偶极子天线具有尺寸小、辐射能力强、全向辐射特性、制造工艺简单、成本低等特点，能够满足RFID应用系统中对天线的具体要求。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。而介电常数渐变的陶瓷基底，可以有效的展宽天线的工作频段。

目前，把树状分形贴片、偶极子天线、介电常数渐变的陶瓷基底材料结合起来，并应用在RFID系统中0.902～0.928GHz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介电常数渐变陶瓷树状分形偶极子天线。

本发明设有单面镀银的陶瓷基板，镀银层为树状分形偶极子天线辐射贴片。

陶瓷基板最好由至少9层介电常数渐变的陶瓷材料层构成，各层陶瓷材料层的介电常数呈等差直线性变化。各层陶瓷材料层最好为矩形陶瓷材料层，各层陶瓷材料层的尺寸相同，长度为26mm±1mm，宽度为12mm±1mm，厚度为0.1mm±0.01mm。

树状分形偶极子天线辐射贴片最好由左右对称的2条偶极子臂构成，偶极子臂为至少2阶的树状分形结构。2条偶极子臂之间设有断开间隙，断开间隙的两侧设有天线馈电点。

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0.828～1.029GHz，其绝对带宽为0.201GHz，其相对带宽为21.85％，可完整覆盖RFID系统中0.902～0.928GHz工作频段。天线尺寸为常规微带天线尺寸的8％，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为本发明实施例的树状分形偶极子天线辐射贴片结构示意图。

图2为本发明实施例的回波损耗(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，本发明设有单面镀银层的陶瓷基板1，镀银层为树状分形偶极子天线辐射贴片，树状分形偶极子天线辐射贴片由结构相同、左右对称的2条偶极子臂21和22构成，2条偶极子臂21和22为二阶分形贴片结构。陶瓷基板1由9层介电常数渐变的矩形陶瓷材料层构成。各层陶瓷材料层的介电常数呈等差直线性变化。各层陶瓷材料层的尺寸相同，长度为26mm±1mm，宽度为12mm±1mm，厚度为0.1mm±0.01mm。第1层陶瓷材料层的介电常数为12，第2层陶瓷材料层的介电常数为13，第3层陶瓷材料层的介电常数为14，第4层陶瓷材料层的介电常数为15，第5层陶瓷材料层的介电常数为16，第6层陶瓷材料层的介电常数为15，第7层陶瓷材料层的介电常数为14，第8层陶瓷材料层的介电常数为13，第9层陶瓷材料层的介电常数为12。二阶的树状分形天线辐射贴片采用树状分形结构迭代生成方式生成。初始元为一条长度为8mm±0.05mm线段，在其末端连接上与原线段夹角为45°的两条长度为原线段一半的线段，即构成一阶树状分形结构。在一阶树状分形结构的末端线段的末端，连接上与原末端线段夹角为45°的两条长度为原末端线段一半的线段，得到二阶树状分形结构。按此迭代，可继续迭代生成三阶以上的树状分形天线辐射贴片。

构成树状分形偶极子天线辐射贴片的两条偶极子臂21与22之间设有断开间隙A，使用时天线馈电点设于断开间隙A两侧。表1给出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0.828～1.029GHz	S₁₁/dB0.828～1.029GHz	绝对带宽	相对带宽
影响因数	工作频段0.828～1.029GHz	S₁₁/dB0.828～1.029GHz	绝对带宽	相对带宽	陶瓷基板尺寸26mm±1mm×12mm±1mm	不受影响，仍可覆盖	引起波动不超过2％。优于—10dB	优于0.20GHz	优于21％
镀银层厚度、初始单元线段长度、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0.20GHz	优于21％	陶瓷基板尺寸26mm±1mm×12mm±1mm	不受影响，仍可覆盖	引起波动不超过2％。优于—10dB	优于0.20GHz	优于21％
镀银层厚度、初始单元线段长度、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0.20GHz	优于21％	陶瓷基板的各层陶瓷材料相对介电常数、厚度等误差控制在5％以内	保证频段覆盖	引起波动不超过1％，优于—10dB	优于0.20GHz	优于21％

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单面镀银陶瓷基板，tgδ<0.002。

图2给出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0.828～1.029GHz，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—28.02dB。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0.201GHz，其相对带宽为21.85％，远优于常规的微带天线，可完整覆盖RFID系统中的0.902～0.928GHz工作频段。

参见图3，由图3可见，天线有两个瓣，一个在300°～60°之间，另一个在120°～240°之间。两个瓣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4，由图4可见，天线主瓣在300°～60°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0.828～1.029GHz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、介电常数渐变陶瓷树状分形偶极子天线，其特征在于设有单面镀银层的陶瓷基板，镀银层为树状分形偶极子天线辐射贴片。

2、如权利要求1所述的介电常数渐变陶瓷树状分形偶极子天线，其特征在于陶瓷基板由至少9层介电常数渐变的陶瓷材料层构成。

3、如权利要求2所述的介电常数渐变陶瓷树状分形偶极子天线，其特征在于所述至少9层介电常数渐变的陶瓷材料层的介电常数呈等差直线性变化。

4、如权利要求2所述的介电常数渐变陶瓷树状分形偶极子天线，其特征在于所述陶瓷材料层为矩形陶瓷材料层，各矩形陶瓷材料层的尺寸相同。

5.如权利要求4所述的介电常数渐变陶瓷树状分形偶极子天线，其特征在于所述各矩形陶瓷材料层的尺寸是长度为26mm±1mm，宽度为12mm±1mm，厚度为0.1mm±0.01mm。

6、如权利要求1所述的介电常数渐变陶瓷树状分形偶极子天线，其特征在于树状分形偶极子天线辐射贴片由左右对称的2条偶极子臂构成。

7.如权利要求6所述的介电常数渐变陶瓷树状分形偶极子天线，其特征在于所述偶极子臂为至少2阶的树状分形结构。

8、如权利要求6所述的介电常数渐变陶瓷树状分形偶极子天线，其特征在于所述2条偶极子臂之间设有断开间隙，断开间隙的两侧设有天线馈电点。