CN102005643B

CN102005643B - 三频Koch分形环镜像偶极子天线

Info

Publication number: CN102005643B
Application number: CN 201010507378
Authority: CN
Inventors: 周建华; 罗勇; 游佰强; 胡秀丽; 王菁
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2030-10-14
Also published as: CN102005643A

Abstract

三频Koch分形环镜像偶极子天线，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带镜像结构和对称Koch分形环以及弯折结构的三频Koch分形环镜像偶极子天线。所述三频覆盖RFID常用频段745～1067MHz、2215～2647MHz，以及移动通信的1617～1912MHz。设有基板，基板的两面均覆有金属层，两层均以带镜像结构的对称的Koch分形环以及弯折结构作为偶极子两臂，所述偶极子臂为三频Koch分形环镜像偶极子天线辐射贴片，两层的天线结构组成类似阵列形式。

Description

三频Koch分形环镜像偶极子天线

技术领域

本发明涉及一种偶极子天线，尤其是涉及一种带镜像结构和对称Koch分形环以及弯折结构的三频Koch分形环镜像偶极子天线。

背景技术

自1937年，RFID技术被美国海军研究试验室(U.S.Naval Research Laboratory(NRL))开发用于识别盟军的飞机以来，RFID技术已经广泛用于物流方面。甲骨文、SAP、IBM等全球100家Wal-Mart百货最大的供货商正式宣布，到2005年底止，所有供应Wal-Mart百货的商品装箱上，都要有应用RFID技术的电子商品标签，从而引发全球针对零售业物流管理实施RFID技术应用研究的新高潮。

2007年3月，由美国、德国、意大利、中国、韩国等近20家研究机构在EPC Global框架之外成立了The Global RF Lab Alliance(GRFLA)，以推动RFID技术在物流供应链以及更多的领域中成功应用。

随着中国加入WTO，国内市场和国外市场结合为国际市场，随着国际RFID技术关于物流应用的潮流的掀起，在国内，RFID技术也被大量应用于物流以及运输。2007年，中国第二代居民身份证使用RFID技术。2008年，北京奥运会电子门票和奥运食品供应链应用了RFID技术。2010年5月，上海世博会的门票系统将全部采用RFID技术，每张门票内都含有一颗自主知识产权“世博芯”，通过采用特定的密码算法技术，确保数据在传输过程中的安全性。此外，政府开始积极推动如邮政、海关、危险品管理、药品管理、物流等各种试点工作的。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。

移动通信的起源可追溯至1897年马可尼所完成的无线通信的试验，其发展始于20世纪20年代在几个短波频段上开发出专用移动通信系统。70年代，贝尔试验室在提出的蜂窝网的概念上研制成功了先进移动电话系统(AMPS)，建成了蜂窝状移动通信网，即第一代通信系统，并于80年代在美国投入使用。以AMPS和TACS为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统，虽然模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但是其频谱利用率低，移动设备复杂，费用较贵，业务种类受限制以及通话易被窃听，并且其容量已不能满足日益增长的移动用户需求。基于这些问题，80年代中期，欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网(GSM)的体系。随后，美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。随着移动通信技术的迅速发展，系统的小型化、高集成度和高性能化已日益成为当前研究的热点，而且，随着通讯业务的扩展，移动通信的频段也从以前的SM(880～960MHz)频段扩展到DCS(1710～1880Nlllz)以及PCS(1850～1990MHz)段，以至最近3G业务频段(WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000)，除此之外还有广泛应用的蓝牙、无线局域网频段等等。

无论是对于RFID技术还是移动通信技术，天线作为无线通系统中的重要部件之一，其性能的好坏直接关系到系统的通信质量。对于RFID技术而言，尤其是应用于物流的RFID技术，人们对RFID天线在宽带化、小型化、全向性等方面提出了更高的要求。对于移动通信而言，尤其是个人通信系统的发展，要求通信系统天线具备小型、多频以及全向等特点。天线在通信系统中具有举足轻重的地位，天线的各项特性极大程度地影响了通信系统的工作性能及应用领域和范围因此，因此，天线的研究具有很大的实际意义。

在庞大的天线家族中，最常用的是偶极子天线(又称对称振子天线)。典型的偶极子天线由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成，信号从中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上将产生一定的电流分布，这种电流分布就在天线周围空间激发起电磁场。当单个振子臂的长度L＝λ/4时(半波振子)，输入阻抗的电抗分量为零，天线输入阻抗可视为一个纯电阻。在忽略天线粗细的横向影响下，偶极子天线设计可以取振子的长度L＝λ/4的整数倍。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([1]B.B.Mandelbrot.“The Fractal Geometry of Nature”.New York，Freeman，1982，.20-113)。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组件上。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，能够很好地满足RFID系统对天线的要求。

射频识别系统的典型工作频段有：902～928MHz，2.45GHz，5.8GHz。移动通信常用的频段有：880～960MHz)，1710～1880MHz，1800～2200MHz。

Koch分形结构的天线是一种典型的分形天线，它由瑞典数学家Helge von Koch在1904年发提出。随着分形被用于天线设计，而在众多分形结构中，Koch分形曲线是最常用于天线设计的结构之一。Puente等([2]C.Puente，J.Romeu，R.Pous，J.Ramis，A.Hijazo.Smallbut long koehr factal monopole[J]，Electronics Letters，1998，34(l)：9-10；[3]C.Puente，J.Romeu，R.Pous，A.Cardma.The koch monopole：A smallr factal antenna[J].IEEETransactions on Antennasand Propagation，2000，48(11))重点讨论了Koch曲线应用于天线设计的有关特性，Koch偶极子随着迭代次数的增加，辐射电阻增加，谐振频率逐渐减小，并趋于某一有限值。当保持偶极子天线的谐振频率不变时，Koch曲线的高度减小，随着迭代次数的增加，天线高度趋于有限值，长度却无线增长，这种设计有利于天线的小型化。Koch分形结构的初始元为一条线段，将其三等分，将第二段由与之成等边三角形的两段线段代替，即构成一阶分形结构。将一阶分形结构的各条线段重复一阶的分法，得到二阶Koch分形结构。按此迭代，可生成各高阶分形结构。

Koch分形环结构在天线结构设计方面也有研究，文献([4]A.S.Andrenko，″ConformalFractal Loop Antennas for RFID Tag Applications″，IEEE AppliedElectromagnetics andCommunications，ICECom.International Conference，Oct.2005.Page(s)：1-6)设计了基于Koch分形和Hilbert分形的改进型环天线，其工作于应用于RFID标签天线的953MHz。

文献([5]Rao Hanumantha Patnam.Broadband CPW-Fed Planar Koch Fractal loop antenna.IEEE antennas and wireless propagation letters.Vol.7：429-431，2008)设计了一款带有阻抗匹配结构的宽带Koch分形环天线，其工作频率范为1.26～1.52GHz。

文献([6]Salama A.M.A，Quboa K.M..A New Fractal Loop Antenna For Passive UHFRFIDTags Applications.Information and Communication Technologies：From Theory toApplications，3^rd International Conference on Digital Object Identifier，2008)在标准二阶Koch分形环结构的基础上，设计了一款工作频率为900MHz的改进型Koch分形环天线。

随着通信向小型化发展的趋势，天线的尺寸缩减问题是RFID必需面临面对的问题之一，在当前RFID标签天线的设计结构中，弯折型结构是常用于天线尺寸缩减的结构之一。

2003年，G.Marrocco等([6]Salama A.M.A，Quboa K.M..A New Fractal Loop Antenna ForPassive UHF RFIDTags Applications.Information and Communication Technologies：FromTheory to Applications，3^rd International Conference on Digital Object Identifier，2008)以及文献([7]Gaetano Marrocco，Alessandro Fonte，Fernando Bardati.Evolutionary design of miniaturizedmeander-line antennas for RFID applications[J]IEEE Trans.Antennas and Propagation，2002，362-365；[8]TJ.Warnagiris and T.J.Minardo.Performance of a meandered line as electricallysmall transmitting antenna[J].IEEE Trans.Antennas Propagat，1998，46：1797-1876；[9]B Yang，QFeng.A folded Dipole Antenna for RFID Tag[Z].Microwave and Millimeter WaveTechnology.2008)较为详细的论述了弯折偶极子天线特性随着不同弯折程度的变化规律。

2004年，M.Keskilammi等([10]M.Keskilammi and M.Kivikoski，Using Text as a MeanderLine for RFID Transponder Antennas[J]IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2004，Vol.3：372-374)别出心裁地应用弯折型结构，设计了大小为大约为13.5cm×2.5cm字母型天线。2006年，S.Basat和M.M.Tentzeris等([11]S.Basat，M.M.Tentzeris，and J.Laskar，Design anddevelopment of a miniaturized embedded UHF RFID tag for automotive tire applications in Proc.IEEE International Workshop on Antenna Technology，SmallAntennas，and Novel Metamaterials，2006，160-163)应用弯折结构设计了三款尺寸约为7cm×3cm.，工作频率为915MHz的RFID标天线。

2009年，M.Abu and M.K.A.Rahim等([12]M.Abu and M.K.A.Rahim.Triple-band printeddipole tag antenna for RFID[J].Progress in Electromagnetics Research C，2009，Vol.9：145-153)应用弯折型结构，设计了一款三频带天线，分别工作在0.92GHz，2.4GHz，5.8GHz，天线尺寸为145mm×20mm。Benjamin D等([13]Benjamin D，Braaten1，Robert P.Design of PassiveUHF RFID Tag Antennas Using Metamaterial-Based Structures and Techniques[J].RadioFrequency Identification Fundamentals and Applications，2010，55-68)设计了应用于阅读器的弯折型天线，工作频率范围为860～920MHz，尺寸为47.13mm×14.81mm，读取距离为4.87m，通过弯折结构，跟同样频率结构的普通偶极子天线相比，尺寸减少将近20％。

双锥天线最早由Schelkunoff提出并作为研究天线辐射特性的模型，由于具有良好的宽频带特性而得到了广泛的研究与应用。双圆锥天线是由共轴线的两个圆锥导体面，且其两顶端相对而构成的天线，相对顶端的间隙处作为馈电点。双锥型结构天线可以看作是传统偶极子天线的变形：当偶极子天线的两臂的半径光滑地逐渐变大时，便形成了双锥天线的雏形。而又由于理想的无线长的双锥天线的输入阻抗就等于天线的特性阻抗，这时天线电特性就与频率无关。

在实际设计中，由于双锥结构的天线的阻抗随着频率的变化较小，导致双锥类型天线的阻抗带宽变化不剧烈，在此基础上合理的设计天线，可以获得较宽的天线带宽([14]G H Brownand D M Woodward，Experimentally DeterminedRadiation Characteristics of Conical andTriangular Antennas，RCA Review，Vol 13，No 4，Dec，pp：425-452，1952)。

镜像结构在天线结构的设计中应用较少，实验证明在印刷偶极子天线的设计中添加镜像补偿结构能很好的改善天线的回波损耗([15]汤伟.RFID天线设计与实现.厦门大学，2008)。而阵列结构能利用阵列单元天线之间的相互耦合而改变天线的阻抗，进而改变天线的S11系数等天线特性参数。

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。偶极子天线不仅具有尺寸小、辐射能力强、制造工艺简单、成本低等特点，而且具有全向辐射特性，能够满足RFID应用系统中对天线的具体要求。

目前，应用Koch分形环贴片、应用弯折结构、双锥型结构、镜像结构以及阵列结构，来制作三频偶极子天线，并应用在RFID系统中的910MHZ和2450MHz工作频段以及移动通信的1800MHz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带镜像结构和对称Koch分形环以及弯折结构的三频Koch分形环镜像偶极子天线。

本发明所述三频覆盖RFID常用频段745～1067MHz、2215～2647MHz，以及移动通信的1617～1912MHz。

本发明设有基板，基板的两面均覆有金属层，两层均以带镜像结构的对称的Koch分形环以及弯折结构作为偶极子两臂，所述偶极子臂为三频Koch分形环镜像偶极子天线辐射贴片，两层的天线结构组成类似阵列形式。

所述基板最好为绝缘阻燃基板，基板等级优选FR4，可优选环氧树脂基板，基板的相对介电常数最好为3.7±25％。基板的形状可为矩形等，优选矩形，矩形基板的尺寸最好是长度40mm±0.25mm，宽度16mm±0.25mm，厚度1.5mm±0.25mm。

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：

由于本发明采用上述结构，因此具有三频工作频带，即910MHz频段、1800MHz频段和2450MHz频段，3个频段范围分为：745.5～1067MHz，绝对带宽321.5MHz，相对带宽35.47％；1617～1912MHz，绝对带宽295MHz，相对带宽16.72％；2215～2647MHz，绝对带宽432MHz，相对带宽17.77％。天线尺寸约为常规微带天线尺寸的10％。

由此可见，本发明具有尺寸小、带宽大等良好的特点，可达到小型化RFID天线以及满足移动通信天线的目的，完全可以将其放在RFID标签或读写器里以及1800MHz频段的移动通信系统里。本发明还具有结构简单、制造工艺简单、成本低、全向辐射性能佳和易于集成等突出优点，能够满足RFID应用系统以及移动通信系统对天线的具体要求。

附图说明

图1为本发明实施例的组成阵列结构的单元之一：带镜像结构和对称Koch分形环以及弯折结构的三频Koch分形环镜像偶极子天线的结构示意图。

图2为本发明实施例的组成阵列结构的单元之二：带镜像结构和对称Koch分形环以及弯折结构的三频Koch分形环镜像偶极子天线的结构示意图。

图3为本发明实施例的回波损耗(S₁₁)性能图。在图3中，横坐标表示频率TheFrequency(MHz)，纵坐标表示回波损耗强度The return loss(dB)。

图4为本发明实施例的H面方向图。在图4中，坐标为极坐标。

图5为本发明实施例的E面方向图。在图5中，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，本发明实施例设有双面覆铜的环氧树脂基板1，基板1的两面均覆有金属层，并且两层都是以带镜像结构的对称的Koch分形环以及弯折结构作为偶极子两臂，其中一面的结构以及尺寸如图1所示。基板1的尺寸为：长度40mm±0.25mm，宽度16mm±0.25mm，厚度1.5mm±0.25mm。在该层天线偶极子结构两臂的对称中心线上设有断开间隙A，断开间隙A的两侧设有天线馈电点。两层的天线结构组成类似阵列形式。

基板1为FR4基板。

参见图2，基板1的另一面覆铜层的天线结构与第一面结构相同，即以带镜像结构的对称的Koch分形环以及弯折结构作为偶极子两臂。两层的天线关于基本对称，从而组成类似阵列形式。在该层天线偶极子结构两臂的对称中心线上设有断开间隙A，断开间隙A的两侧设有天线馈电点。第一层天线与第二层天线同源馈电。

本发明的制造加工误差对天线特性的影响情况参见表1。

参见图3，从图3可以看出，天线的工作频带覆盖了745.5～1067MHz、1617～1912MHz和2215～2647MHz，工作频带内的回波损耗都在-10dB以下，3个工作频带内的最小回波损耗分别为：-55.62dB、-45.39dB和-56.38dB。天线回波损耗(S₁₁)性能在整个通频带内满足要求，天线的3个频段绝对带宽分别为：321.5MHz、295MHz和432MHz，其相对带宽分别为：35.47％、16.72％和17.77％，优于常规的微带天线，可完整覆盖RFID系统中的860～960MHz5、2.45GHz的工作频段以及移动通信的1800MHz频段。

由图4中可见，天线辐射覆盖了0°～360°范围，表明本发明具有全向辐射特性。

由图5中可见，线辐射覆盖了0°～360°范围，表明本发明具有全向辐射特性。

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铜FR4基板，tgδ＜0.002。

从以上实施例可以看出，本发明具有全向辐射特性，完全可达到了射频识别(RFID)系统对以及移动通信系统对于天线的要求。

Claims

1.三频Koch分形环镜像偶极子天线，其特征在于设有基板，基板的两面均覆有金属层，两层均以两个对称分形环和两个弯折结构作为偶极子的双臂，其中分形环采用以基板垂直中线为中心的左右镜像结构，弯折结构采用以基板平行中线为中心的上下斜对角镜像结构；偶极子臂为三频Koch分形环镜像偶极子天线辐射贴片，其中Koch分形环为由一阶Koch曲线首尾相连形成的多边形闭合结构，采用三频Koch分形环以同心嵌套且大小渐变的方式构成单个偶极子臂；在天线偶极子结构两臂的对称中心线上设有断开间隙，其两侧设有天线馈电点，左右两个分形环的外曲边最右和最左点分别与馈电左右端相连，而上下弯折结构的最左和最右点与馈电左右端相连；两层偶极子辐射结构相对于基板对称。

2.如权利要求1所述的三频Koch分形环镜像偶极子天线，其特征在于所述基板为绝缘阻燃基板。

3.如权利要求1或2所述的三频Koch分形环镜像偶极子天线，其特征在于所述基板为FR4基板。

4.如权利要求1或2所述的三频Koch分形环镜像偶极子天线，其特征在于所述基板为环氧树脂基板。

5.如权利要求1或2所述的三频Koch分形环镜像偶极子天线，其特征在于所述基板的相对介电常数为3.7±25%。

6.如权利要求1或2所述的三频Koch分形环镜像偶极子天线，其特征在于所述基板的形状为矩形。

7.如权利要求6所述的三频Koch分形环镜像偶极子天线，其特征在于所述矩形基板的尺寸长度为40mm±0.25mm，宽度为16mm±0.25mm，厚度为1.5mm±0.25mm。