Hilbert分形結(jié)構(gòu)在RFID標簽天線中的應用

現(xiàn)代社會產(chǎn)品越來越豐富，數(shù)據(jù)管理需求也越來越高，人們需要將多種多樣處于生產(chǎn)、銷售、流通過程中的物品進行標識、管理和定位。采用傳統(tǒng)的條形碼進行物品標識將會帶來一系列的不便：無法進行較遠距離的識別，需要人工干預、許多物品無法標識等等。相反，由于射頻識別fRFID1系統(tǒng)采用具有穿透性的電磁波進行識別，所以可以進行較遠距離的識別，無須人工干預，可以標識多種多樣的物品。

　　射頻識別技術(shù)是一種非接觸的自動識別技術(shù)。它是由電子標簽（Tag/TranspONder）、讀寫器（Reader/Interrogator）及中間件（Middle-Ware）~部分組成的一種短距離無線通信系統(tǒng)。射頻識別中的標簽是射頻識別標簽芯片和標簽天線的結(jié)合體。標簽根據(jù)其工作模式不同而分為主動標簽和被動標簽。主動標簽自身攜帶電池為其提供讀寫器通信所需的能量：被動標簽則采用感應耦合或反向散射工作模式，即通過標簽天線從讀寫器中發(fā)出的電磁場或者電磁波獲得能量激活芯片，并調(diào)節(jié)射頻識別標簽芯片與標簽天線的匹配程度，將儲存在標簽芯片中的信息反饋給讀寫器。因此。射頻識別標簽天線的阻抗必須與標簽芯片的輸入阻抗共軛匹配，以使得標簽芯片能夠最大限度地獲得射頻識別讀寫器所發(fā)出的電磁能量。此外，標簽天線設(shè)計時還必須考慮電子標簽所應用的場合，如應用在金屬物體表面的標簽天線和應用在普通物體表面的標簽天線在天線的結(jié)構(gòu)和選材上存有很大的差別。適合于多種芯片、低成本、多用途的標簽天線是射頻識別在我國得到廣泛普及的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　本文分析了一維和二維Hilbert分形結(jié)構(gòu)的RFID標簽天線，并對兩種分形標簽天線分別比較了其長度、諧振頻率、反射系數(shù)及方向圖隨分形階數(shù)的變化關(guān)系。 仿真結(jié)果表明，一維Hilbert分形標簽天線在尺寸縮減的同時，具有較高的天線效率，適合于RFID標簽應用。

　　1 Hilbert分形天線的幾何描述

　　0至4 階的Hilbert分形結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 Hil2bert天線是1 /3等邊分形天線， 0階Hilbert天線各邊長均為h. n階Hilbert天線總長度為

    由圖1可見， Hilbert天線輪廓的總面積保持不變，為h2. 隨著Hilbert分形迭代階數(shù)的增加， Hilbert曲線的長度呈指數(shù)上升，趨近于無窮大，逐漸填充整個輪廓，此，Hilbert分形天線具有空間填充特性。

　　圖1　0～4階Hilbert分形結(jié)構(gòu)

　　2 二維Hilbert分形標簽天線分析

　　根據(jù)圖1中的Hilbert分形結(jié)構(gòu)，文中提出了如圖2所示的二維Hilbert標簽天線結(jié)構(gòu)。 本文取Hil2bert標簽天線外部等邊長h = 54mm, 0階Hilbert標簽天線諧振頻率為915MHz. 用矩量法對0~2階的二維Hilbert標簽天線進行仿真，結(jié)果如圖3, 4 所圖3 二維Hilbert分形標簽天線的方向圖仿真結(jié)果

圖2　二維Hilbert分形標簽天線結(jié)構(gòu)

    圖3　二維Hilbert分形標簽天線的方向圖仿真結(jié)果

　　從圖3和表1可以看出，相對于相同縱向長度的普通偶極子天線，隨著分形階數(shù)的增加， 0~2階二維Hilbert標簽天線的方向圖基本保持不變，但諧振頻率逐漸減?。?2階二維Hilbert標簽天線的諧振頻率約為410MHz,若要保持諧振頻率為915MHz,則2階二維Hilbert標簽天線的等邊長度約為0. 46 h.

　　雖然Hilbert分形結(jié)構(gòu)有效地減小了天線的電長度，然而隨著分形階數(shù)的增加，二維Hilbert標簽天線的增益和效率急劇下降， 2階二維Hilbert標簽天線的效率僅為8. 83%. 這表明二維Hilbert分形結(jié)構(gòu)對標簽天線的尺寸縮減是以降低天線增益和天線效率為代價的，不能滿足RFID標簽天線設(shè)計的需要。

　　圖4　二維Hilbert分形標簽天線的S11曲線

    表1　二維Hilbert分形標簽天線參數(shù)

3 一維Hilbert分形標簽天線分析

　　為了提高Hilbert分形結(jié)構(gòu)的RFID標簽天線的效率，本文提出了另一種形式的Hilbert標簽天線結(jié)構(gòu)，如圖5所示。 諧振頻率為915MHz的半波振子天線長度2L = 149mm. 取三等分彎折線，各彎折線段長度均為h = 2417mm,在彎折線部分采用Hilbert分形變換，彎折線天線為0階Hilbert標簽天線。

　　用矩量法對一維Hilbert標簽天線進行仿真，結(jié)果如圖6, 7所示，天線參數(shù)見表2.

　　圖5　一維Hilbert分形標簽天線結(jié)構(gòu)

    圖6　一維Hilbert分形標簽天線的方向圖仿真結(jié)果

    圖7　一維Hilbert分形標簽天線的S11曲線

　　從圖6和表2可以看出，一維Hilbert分形標簽天線的方向圖基本相同，諧振頻率隨階數(shù)的增加不斷下降，但下降幅度逐漸趨緩。 2階一維Hilbert標簽天線的諧振頻率下降到半波偶極子天線諧振頻率的49. 2%時，其天線效率為62. 91% ,是2階二維Hil2bert標簽天線效率（8. 83% ）的7. 1倍。 這說明了一維Hilbert結(jié)構(gòu)的分形天線在縮減天線尺寸的同時，能夠保持標簽天線的性能不急劇下降。 經(jīng)過推算，在915MHz諧振頻率下， 2 階一維Hilbert分形標簽天線的兩臂長度約為半波振子天線長度的50% ,具有較好的尺寸縮減特性。

　　表2　一維Hilbert分形標簽天線參數(shù)

    4　試驗測試

    根據(jù)前面Hilbert天線的仿真結(jié)果，制作了如圖8所示的1階一維Hilbert分形標簽天線。

　　圖8　1階一維Hilbert分形標簽天線

　　天線兩端的直線長度為50mm, Hilbert分形高度為20mm,饋點間距1mm,測得915MHz頻率處天線的等效輸入阻抗為15 + j245. 采用的標簽IC是Atmel公司的ATA5590,芯片IC端口阻抗為12 -j217,符合RFID國際標準EPC Class1 Gen2.

　　使用的閱讀器是AW ID公司的MPR23014閱讀器，支持EPC Class1 Gen2 標準。 在天線輻射功率4W、中心頻率915MHz、標簽天線面與閱讀器天線面水平的試驗條件下，閱讀距離為5. 6m. 根據(jù)報導，偶極子RFID 標簽在RFID 閱讀器輸出4W射頻功率的條件下可以達到7. 2m的識別距離。實驗結(jié)果顯示，本文制作的RFID 標簽天線的性能基本達到應用的要求。

　　5 結(jié)論

　　Hilbert分形結(jié)構(gòu)天線由于其具有空間填充特性，有利于RFID標簽天線的小型化設(shè)計。 隨著分形階數(shù)的不斷增加，與二維Hilbert標簽天線相比，一維Hilbert標簽天線在具備尺寸縮減特性的同時，有效地保持了天線的效率不急劇下降。 運用一維Hil2bert標簽天線，可以實現(xiàn)諧振在915MHz的小型化高效率的RFID標簽天線。