CN103531898A

CN103531898A - 基于超材料的射频识别分形天线

Info

Publication number: CN103531898A
Application number: CN201310482276.3A
Authority: CN
Inventors: 刘国; 张海光; 张辉; 王毅; 徐良
Original assignee: Xidian University
Current assignee: HEBEI JINGHE ELECTRONIC TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2033-10-15
Also published as: CN103531898B

Abstract

本发明公开一种基于超材料的射频识别分形天线，主要解决现有双频射频识别天线结构复杂，效率低的问题。其包括树枝状分形超材料介质板(1)、辐射贴片(2)、同轴馈线(3)和天线底板(4)，树枝状超材料介质板(1)的上、下两面均刻蚀有M行N列形状相同的树枝状阵列单元(5)，每个单元均采用具有自相似特征的分形结构，且上、下两面的单元在垂直空间面严格重叠，形成有透射禁带特性的树状分形超材料。该树枝状超材料介质板(1)固定在辐射贴片(2)与底板(4)之间，实现840～845MHz和920～925MHz双频段工作。本发明天线具有驻波比低，增益高，方向图良好，且辐射效率高的优点，可用于中国射频识别RFID通信系统。

Description

基于超材料的射频识别分形天线

技术领域

本发明属于涉及天线技术领域，特别是一种基于超材料的射频识别RFID分形天线，可用于非接触的双向数据通信。

背景技术

射频识别RFID，是一种通过无线射频方式进行非接触的双向数据通信，对目标加以识别并获取相关数据的自动识别技术。现在RFID已经渗透到人们日常生活的各个领域，其应用包括资产管理、人员门禁、物流等。在RFID系统中，RFID标签天线对整个无线通信系统的工作指标有关键性的影响。中国公布的UHF频段中RFID频率范围为840～845MHz和920～925MHz两个频段。传统的RFID天线有很多种形式，比如十字交叉天线，偶极子天线，双臂螺旋天线，微带天线，其中微带天线由于其低剖面，成本低，体积小等优点应用最为广泛。为满足读写器RFID天线工作于840～845MHz和920～925MHz两个频段的要求，如果直接采用传统微带天线设计，则存在着天线的带宽比较窄，不能满足两个频段同时工作的要求。传统的实现双频带有多谐振、开槽线、双贴片等方法，这些技术主要靠改变辐射贴片来实现双频带工作，设计复杂，且辐射效率受到一定的影响。

发明内容

本发明的主要目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于超材料的射频识别RFID分形天线，以简化结构，提高辐射效率，满足840～845MHz和920～925MHz两个频段的工作要求。

本发明的技术方案是这样的：

一.技术原理

近几年，具有独特电磁特性的一些人工材料成为电磁领域一个研究热点，如电磁带隙EBG结构，缺陷地结构DGS，左手媒质LHM，频率选择表面FSS等。这些材料统称为“Metamaterials”，即“超材料”或“超颖质材料”。这些材料都是人工合成材料，在电磁领域都表现出一些在自然界中不存在的现象，像频率禁带、负折射率等。当把它们应用于微波和毫米波工程领域中，可显著改善一些设备及器件的性能，如提高天线增益，增加天线带宽，减小阵元间耦合，制造高Q谐振腔等。这些人工材料的出现，为克服当前天线、通信领域中遇到的一些技术瓶颈提供了可能的解决方案。

本发明利用所述“超材料”的频率禁带特性，设计了一种树状超材料，即上、下面同时刻蚀有树枝状分形结构的介质板，当电磁波垂直于双面树枝状结构阵列入射时，磁场可以在树枝间产生感应电流，从而引入电感。正反面树枝间存在间隙，从而产生电容，于是产生了和树枝的几何尺寸有关的LC谐振，从而产生了一个透射禁带，得到负磁导率。根据电磁仿真软件Ansoft HFSS模拟结果，各级分支长度选取越大，线宽越窄，基板材料的介电常数越大，产生负磁导率的谐振频率就越低。因此，可以通过控制树枝的各分支长度，介质板的介电常数，以及单元之间的距离，来实现不同频点的透射禁带，将设计的超材料介质板置于辐射贴片和天线底板中间，通过合理的调整分形结构与底板的位置，使天线谐振的两个频带分别覆盖中国RFID所需的840～845MHz和920～925MHz两个频段，避开传统复杂的开槽线和双层堆积微带天线，同时通过保持辐射贴片面积不变，提高辐射效率。

二.天线结构

为了实现发明目的，本发明包括辐射贴片、树枝状超材料介质板、同轴馈线和天线底板，其特征在于：

所述辐射单元与底板之间设有树枝状超材料介质板，该介质板的上、下两面均刻蚀有M行N列形状相同的树枝状阵列单元，M≥2，N≥2，每个单元均采用具有自相似特征的分形结构。

上述的基于超材料的射频识别分形天线，其特征在于：所述自相似特征的分形结构，类似于树枝形状，它包括四个十字交叉的分支，每个分支由一个主干和与主干垂直的两个分支组成，且离十字交叉点较近的第一分支c位于主干a的左侧，离十字交叉点较远的第二分支b位于主干a的右侧。

上述的基于超材料的射频识别分形天线，其特征在于：第一分支c与十字交叉点的距离S₁于第二分支b到第一分支c的距离S₂相等，且a=3b=3c，1mm≤S₁≤10mm。

上述的基于超材料的射频识别分形天线，其特征在于：介质板上、下两面的M行N列树枝状阵列单元严格对齐，即两个面的树枝状阵列单元在垂直空间面重叠。

上述的基于超材料的射频识别分形天线，其特征在于：所述辐射贴片和天线底板均采用金属矩形贴片，且天线底板大于辐射贴片。

上述的基于超材料的射频识别分形天线，其特征在于：同轴馈线穿过天线底板在辐射贴片的一侧进行馈电。

本发明具有如下优点：

1)本发明由于采用树枝状超材料介质板，并将设计的树状超材料介质板置于辐射贴片和天线底板之间，可通过控制超材料介质板来实现负磁导率，从而利用超材料介质板的透射禁带特性实现天线双频段工作，避开了复杂的开槽线及叠加贴片等繁琐的技术，易于加工、调试和批量生产。

2)本发明天线由于采用超材料介质板实现了双频段工作，所用的辐射贴片未经过开槽、切角等技术，所以辐射贴片的面积与空气微带天线的辐射贴片面积大小一致，从而保证了较高的天线辐射效率。

通过实测表明，本发明天线具有很好的辐射特性，完全覆盖中国射频识别RFID所需的840～845MHz和920～925MHz两个频段。

附图说明

图1为本发明的结构主视图，

图2为本发明的结构侧视图；

图3为本发明的超材料介质板分形阵列示意图；

图4为本发明超材料介质板的磁导率图，实线表示实部，虚线表示虚部；

图5为本发明的天线驻波比实测图；

图6为本发明的天线双频段实测方向图。

具体实施方式

参照图1和图2，本发明包括树枝状超材料介质板1、辐射贴片2、同轴馈线3和天线底板4。树枝状超材料介质板1放置在辐射贴片2与天线底板4之间，并通过泡沫固定。辐射贴片2和天线底板4均为金属矩形贴片，且天线底板4大于辐射贴片2。同轴馈线3穿过天线底板4在辐射贴片2的一侧进行馈电，并将同轴馈线的外皮连接在天线底板4上，将同轴馈线的芯线连接到辐射贴片上，形成空气微带贴片天线。

参照图3，所述树枝状超材料介质板1，其上、下两面均刻蚀有M行N列形状相同的树枝状阵列单元5，M≥2，N≥2，每个单元5均采用具有自相似特征的分形结构。该自相似特征的分形结构，类似于树枝形状，它包括四个十字交叉的分支，每个分支由一个主干和与主干垂直的两个分支组成，且离十字交叉点较近的第一分支c位于主干a的左侧，离十字交叉点较远的第二分支b位于主干a的右侧。该第一分支c与十字交叉点的距离S₁与第二分支b到第一分支c的距离S₂相等，且a=3b=3c，1mm≤S₁≤50mm。通过调整每个单元5的尺寸、单元间的距离d及介质板的介电常数，可实现介质板的负磁导率，以实现透射禁带，从而构成超材料介质板，进而实现天线的双频段工作。

以下给出本发明天线不同参数的实施例：

实施1.

本发明的辐射贴片2和天线底板4采用矩形铜片，辐射贴片2的长、宽分别为L₁=146mm、W₁=130mm，天线底板4的长、宽分别为L₂=270mm、W₂=212mm。树枝状超材料介质板1采用电路板刻蚀技术，在大小为120mmm×120mm、厚度为1.5mm、介电常数ε=2.33的聚四氟乙烯基板上、下面刻蚀树状结构，两面的树枝状阵列单元5严格对齐。通过电磁仿真软件HFSS优化，优选：主干a=9mm，第一分支c=3mm，第二分支b=3mm，阵列单元5之间的距离d=21.5mm，树状超材料介质板1与天线底板4的距离H₁=9mm，辐射贴片2和天线底板4之间的距离为H₂=18mm，两分支之间的夹角θ=90°。

实施2.

本发明的辐射贴片2和天线底板4采用矩形铁片，辐射贴片2的长、宽分别为L₁=146mm、W₁=130mm，天线底板4的长、宽分别为L₂=270mm、W₂=212mm。树枝状超材料介质板1采用电路板刻蚀技术，在大小为128mmm×128mm、厚度为1.6mm、介电常数ε=2.13的介质基板上、下面刻蚀树状结构，两面的树枝状阵列单元5严格对齐。通过电磁仿真软件HFSS优化，优选：主干a=9.6mm，第一分支c=3.2mm，第二分支b=3.2mm，阵列单元5之间的距离d=22.5mm，树状超材料介质板1与天线底板4的距离H₁=9mm，辐射贴片2和天线底板4之间的距离为H₂=18mm，两分支之间的夹角θ=90°。

实施3.

本发明的辐射贴片2和天线底板4采用矩形铝片，辐射贴片2的长、宽分别为L₁=146mm、W₁=130mm，天线底板4的长、宽分别为L₂=270mm、W₂=212mm。树枝状超材料介质板1采用电路板刻蚀技术，在大小为130mmm×130mm、厚度为1.7mm、介电常数ε=2.02的介质基板上、下面刻蚀树状结构，两面的树枝状阵列单元5严格对齐。通过电磁仿真软件HFSS优化，优选：主干a=10.5mm，第一分支c=3.5mm，第二分支b=3.5mm，阵列单元5之间的距离d=25.5mm，树状超材料介质板1与天线底板4的距离H₁=9mm，辐射贴片2和天线底板4之间的距离为H₂=18mm，两分支之间的夹角θ=90°。

本发明的效果可通过以下测试数据说明：

测试1：在微波暗室用安捷伦矢量网络分析仪8753ES测试其S参数，然后反衍出超材料结构磁导率，结果如图4所示。从图4可以看出，本发明天线的超材料结构在878～910MHz内磁导率为负值，具有透射禁带特性。

测试2：在微波暗室用安捷伦矢量网络分析仪8753ES测试天线驻波比，在仪器上设置频段700MHz～1000MHz，实测结果如图5所示。从图5可以看出，本发明天线在所需频段840～845MHz和920～925MHz的驻波比：VSWR≤2：1。

测试3：在Airlink3D微波暗室测量天线方向图，实测结果如图6所示，其中图6(a)为f=843MHz的方向图，图6(b)为f=923MHz的方向图，虚线表示E面，实线表示H面。由图6可看出本发明天线在两个工作频段都具有较好的方向图。

以上描述仅是本发明的一个具体事例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种基于超材料的射频识别分形天线，包括辐射贴片(2)、同轴馈线(3)和天线底板(4)，其特征在于：

辐射贴片(2)与天线底板(4)之间设有树枝状超材料介质板(1)，该介质板(1)的上、下两面均刻蚀有M行N列形状相同的树枝状阵列单元(5)，M≥2，N≥2，每个单元均采用具有自相似特征的分形结构。

2.根据权利要求1所述的基于超材料的射频识别分形天线，其特征在于：所述自相似特征的分形结构，类似于树枝形状，它包括四个十字交叉的分支，每个分支由一个主干和与主干垂直的两个分支组成，且离十字交叉点较近的第一分支c位于主干a的左侧，离十字交叉点较远的第二分支b位于主干a的右侧。

3.根据权利要求1所述的基于超材料的射频识别分形天线，其特征在于：第一分支c与十字交叉点的距离S₁与第二分支b到第一分支c的距离S₂相等，且a=3b=3c，1mm≤S₁≤50mm。

4.根据权利要求1所述的基于超材料的射频识别分形天线，其特征在于：介质板(1)上、下两面的M行N列树枝状阵列单元(5)严格对齐，即两个面的树枝状阵列单元在垂直空间面重叠。

5.根据权利要求1所述的基于超材料的射频识别分形天线，其特征在于：所述辐射贴片(2)和天线底板(4)均采用金属矩形贴片，且天线底板(4)大于辐射贴片(2)。

6.根据权利要求1所述的基于超材料的射频识别分形天线，其特征在于：同轴馈线(3)穿过天线底板(4)在辐射贴片(2)的一侧进行馈电。