基于分形理論的UHF RFID讀寫器天線的設計

孫 笠

（北京郵電大學國際學院物聯網工程 北京 100876）

基于分形理論的UHF RFID讀寫器天線的設計

孫 笠

（北京郵電大學國際學院物聯網工程 北京 100876）

引言

閱讀器天線的輸入參數如阻抗、帶寬，則影響RFID閱讀器與天線的匹配程度，決定了閱讀器的能量及數據發送和接收質量的好壞。因此，天線性能的好壞對整個射頻識別系統的性能具有重要的影響［1］。Manderblot在1975年提出了分形理論。本文采用分形理論和HFSS軟件來構建新型的天線模型。

1.天線設計的理論分析

RFID閱讀器天線大多屬于傳統類型的微帶天線，由于結構、安裝和使用環境等變化多樣，并且閱讀器產品朝著小型化甚至超小型化方向發展，常規的方法雖然可以通過提高基片介電常數、加載短路棒、加載縫隙，實現貼片天線的小型化設計，但是這些方法不但對天線的性能有較大影響，而且會導致閱讀器天線的成本上升，加大仿真設計的難度。

1.1 分形天線理論

將分形應用于天線的設計主要是用來實現天線小型化和天線的多頻特性，分形天線解決了傳統天線的兩個局限性。

（1）通常天線的性能都依賴于天線的電尺寸。這就意味著對于固定的天線尺寸，主要天線參數將隨著工作頻率的改變而改變。分形的自相似性使分形天線具有多頻和寬頻特性。

（2）分形的空間填充性，使一些尺寸得到減縮［3］。

1.2 兩種經典的分形結構

1.2.1 Minkowski分形環的迭代生成

假設復平面上給定兩點，坐標分別為a0和b0。上標0表示初始單元，1表示生成單元，下標表示點排號。對于初始單元，有；對于生成單元，設，令：

將平面上兩點距離用模和幅角來表示。

1.2.2 Sierpinski毯結構

國內外關于Sierpinski毯結構天線研究的很深入，其構造過程為：將一個正方形等分分割成9個小正方形，去掉中間的小正方形，剩下8個小正方形；對剩下的小正方形分別再做9等分分割，并去掉各自中間的小正方形，剩下64個小正方形；如此反復分割操作，直至無窮，就構造成Sierpinski方毯［5］。

1.3 圓極化理論

圓極化的關鍵是激勵兩個極化方式的線極化波，當這兩個極化方式的線極化波幅度相等、相位相差90°時，就能得到圓極化波的輻射。獲得圓極化特性的饋電方式有兩種，一種是單點饋電，另一種是正交饋電。本節主要介紹單點饋電圓極化微帶天線的實現原理。

1.4 最大讀取距離的計算

當無源RFID系統正常工作時，閱讀器能夠激活標簽，標簽獲取能量返回信號被閱讀器識別的最大距離Rmax。閱讀器天線在方向（θtrans，?trans ，Rmax）上傳播距離R的功率譜密度為：根據Friis空間公式，得到RFID標簽天線的接收功率表達式為：

式中， Gtag（θtag,?tag）為標簽接收天線在 （θtag,?tag）方向上的增益， λ為波長，為天線極化損耗因子，通常對于線極化和圓極化天線，極化損耗因子都是0.5。

由式（4）～式（6），可得到：

當諧振頻率為922MHz時，閱讀器與標簽間的識別距離最大。本文用到的閱讀器靈敏度為-80dBm，該閱讀器可以接收到標簽方向散射回來的信號，滿足設計要求。

2.天線的優化和仿真

根據中國UHF頻段射頻識別技術的標準，所設計的天線應滿足以下指標。

（1）工作頻率能夠完全覆蓋920～925MHz；

（2）當中心頻率為922MHz時，增益達到-30 dB；

（3）增益在-10dB以下的帶寬大于10MHz；

（4）駐波比<2，達到了較高的圓極化性能；

（5）和傳統天線相比，尺寸縮減；

（6）識別距離大于5m。

2.1 分形天線的建模

方形Sierpinski毯天線具有明顯的多頻特性，但是尺寸上還是顯得過大；Minkowski微帶貼片天線尺寸較小，但是頻帶較窄。匈牙利人Vicsek提出了一個操作方法，將一個正方形9等分，只保留中心和四個角上的小正方形，其余的去掉，得到這樣的圖形稱為1階Vicsek圖形。如果將中間的貼片變大，保持外圍尺寸不變。

若采用1階Vicsek的模型，通過HFSS軟件仿真后，天線的帶寬較窄且增益較小。因此，本文對四個角上及中間的正方形進行開槽，對模型加以改進，以增大天線的頻帶寬度，提高增益。

2.2 天線的優化和仿真

通過使用HFSS商業軟件對改進后的天線進行仿真，得到天線的掃頻分析仿真看得：天線的中心頻率為0.9762GHz，不滿足中國超高頻頻段的標準。對天線模型再次改進，采用的方式為對地板開槽，以使諧振頻率左移。

經多次優化仿真，最后確定所開槽的寬度為2mm，長度為24.5mm。此時使用HFSS軟件對天線進行仿真，得到再次改進后的天線掃頻分析仿真后可得：諧振頻率為922MHz，增益為-30.1614 dB，-10dB以下頻帶寬度為15MHz，滿足設計要求。

天線的輸入阻抗仿真后可得：當諧振頻率為922MHz時，天線的輸入阻抗為52？，接近50？，滿足設計要求。

為了實現天線的圓極化，天線的電壓駐波比<2，使用HFSS軟件進行仿真，當頻率位于914.3～929.2MHz范圍內，天線的電壓駐波比<2，能夠很好地實現天線的圓極化，滿足設計的要求。

3 結束語

設計的天線經過仿真，中心頻率為922MHz，增益達到-30dB；當增益在-10dB以下，頻率從914MHz上升至929MHz時，帶寬達到15MHz，完全覆蓋中國的超高頻頻率（920～925MHz）的范圍；電壓駐波比<2，具有很好的圓極化性能；歸一化輸入阻抗為52？。各項參數都很好地滿足設計要求，完全符合中國超高頻頻段的標準。天線長度和寬度尺寸為60mm？60mm，比傳統的90mm？90mm縮減了33%，比改進型傳統尺寸70mm？70mm縮減了14.29%。設計的閱讀器天線理論識別距離最大達到7.16 m，適用于煤礦井下人員定位系統。