射頻識(shí)別分形天線的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開一種射頻識(shí)別分形天線，包括輻射貼片（2）、同軸饋線（3）和天線底板（4），其特征在于：輻射貼片（2）與天線底板（4）之間設(shè)有樹枝狀超材料介質(zhì)板（1），該介質(zhì)板（1）的上、下兩面均刻蝕有M行N列形狀相同的樹枝狀陣列單元（5），M≥2，N≥2，每個(gè)單元均采用具有自相似特征的分形結(jié)構(gòu)；所述自相似特征的分形結(jié)構(gòu)，類似于樹枝形狀，它包括四個(gè)十字交叉的分支，每個(gè)分支由一個(gè)主干和與主干垂直的兩個(gè)分支組成，且離十字交叉點(diǎn)較近的第一分支c位于主干a的左側(cè)，離十字交叉點(diǎn)較遠(yuǎn)的第二分支b位于主干a的右側(cè)。本實(shí)用新型天線具有駐波比低，增益高，方向圖良好，且輻射效率高的優(yōu)點(diǎn)，可用于中國(guó)射頻識(shí)別通信系統(tǒng)。
【專利說明】射頻識(shí)別分形天線
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于涉及天線【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種射頻識(shí)別分形天線，可用于非接觸的雙向數(shù)據(jù)通信。
【背景技術(shù)】
[0002]射頻識(shí)別RFID，是一種通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸的雙向數(shù)據(jù)通信，對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)?，F(xiàn)在RFID已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域，其應(yīng)用包括資產(chǎn)管理、人員門禁、物流等。在RFID系統(tǒng)中，RFID標(biāo)簽天線對(duì)整個(gè)無線通信系統(tǒng)的工作指標(biāo)有關(guān)鍵性的影響。中國(guó)公布的UHF頻段中RFID頻率范圍為840?845MHz和920?925MHz兩個(gè)頻段。傳統(tǒng)的RFID天線有很多種形式，比如十字交叉天線，偶極子天線，雙臂螺旋天線，微帶天線，其中微帶天線由于其低剖面，成本低，體積小等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用最為廣泛。為滿足讀寫器RFID天線工作于840?845MHz和920?925MHz兩個(gè)頻段的要求，如果直接采用傳統(tǒng)微帶天線設(shè)計(jì)，則存在著天線的帶寬比較窄，不能滿足兩個(gè)頻段同時(shí)工作的要求。傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)雙頻帶有多諧振、開槽線、雙貼片等方法，這些技術(shù)主要靠改變輻射貼片來實(shí)現(xiàn)雙頻帶工作，設(shè)計(jì)復(fù)雜，且輻射效率受到一定的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實(shí)用新型的主要目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提出一種射頻識(shí)別分形天線，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高輻射效率，滿足840?845MHz和920?925MHz兩個(gè)頻段的工作要求。
[0004]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是這樣的:
[0005]一.技術(shù)原理
[0006]近幾年，具有獨(dú)特電磁特性的一些人工材料成為電磁領(lǐng)域一個(gè)研究熱點(diǎn)，如電磁帶隙EBG結(jié)構(gòu)，缺陷地結(jié)構(gòu)DGS，左手媒質(zhì)LHM，頻率選擇表面FSS等。這些材料統(tǒng)稱為“Metamaterials”,即“超材料”或“超穎質(zhì)材料”。這些材料都是人工合成材料，在電磁領(lǐng)域都表現(xiàn)出一些在自然界中不存在的現(xiàn)象，像頻率禁帶、負(fù)折射率等。當(dāng)把它們應(yīng)用于微波和毫米波工程領(lǐng)域中，可顯著改善一些設(shè)備及器件的性能，如提高天線增益，增加天線帶寬，減小陣元間耦合，制造高Q諧振腔等。這些人工材料的出現(xiàn)，為克服當(dāng)前天線、通信領(lǐng)域中遇到的一些技術(shù)瓶頸提供了可能的解決方案。
[0007]本實(shí)用新型利用所述“超材料”的頻率禁帶特性，設(shè)計(jì)了一種樹狀超材料，即上、下面同時(shí)刻蝕有樹枝狀分形結(jié)構(gòu)的介質(zhì)板，當(dāng)電磁波垂直于雙面樹枝狀結(jié)構(gòu)陣列入射時(shí)，磁場(chǎng)可以在樹枝間產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而引入電感。正反面樹枝間存在間隙，從而產(chǎn)生電容，于是產(chǎn)生了和樹枝的幾何尺寸有關(guān)的LC諧振，從而產(chǎn)生了一個(gè)透射禁帶，得到負(fù)磁導(dǎo)率。根據(jù)電磁仿真軟件Ansoft HFSS模擬結(jié)果，各級(jí)分支長(zhǎng)度選取越大，線寬越窄，基板材料的介電常數(shù)越大，產(chǎn)生負(fù)磁導(dǎo)率的諧振頻率就越低。因此，可以通過控制樹枝的各分支長(zhǎng)度，介質(zhì)板的介電常數(shù)，以及單元之間的距離，來實(shí)現(xiàn)不同頻點(diǎn)的透射禁帶，將設(shè)計(jì)的超材料介質(zhì)板置于輻射貼片和天線底板中間，通過合理的調(diào)整分形結(jié)構(gòu)與底板的位置，使天線諧振的兩個(gè)頻帶分別覆蓋中國(guó)RFID所需的840~845MHz和920~925MHz兩個(gè)頻段，避開傳統(tǒng)復(fù)雜的開槽線和雙層堆積微帶天線，同時(shí)通過保持輻射貼片面積不變，提高輻射效率。
[0008]二.天線結(jié)構(gòu)
[0009]為了實(shí)現(xiàn)實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型包括輻射貼片2、同軸饋線3和天線底板4，其特征在于:輻射貼片2與天線底板4之間設(shè)有樹枝狀超材料介質(zhì)板1，該介質(zhì)板I的上、下兩面均刻蝕有M行N列形狀相同的樹枝狀陣列單元5，M > 2，N > 2，每個(gè)單元均采用具有自相似特征的分形結(jié)構(gòu)；
[0010]所述自相似特征的分形結(jié)構(gòu)，類似于樹枝形狀，它包括四個(gè)十字交叉的分支，每個(gè)分支由一個(gè) 主干和與主干垂直的兩個(gè)分支組成，且離十字交叉點(diǎn)較近的第一分支C位于主干a的左側(cè)，離十字交叉點(diǎn)較遠(yuǎn)的第二分支b位于主干a的右側(cè)。
[0011]上述的射頻識(shí)別分形天線，其特征在于:第一分支c與十字交叉點(diǎn)的距離S1與第二分支b到第一分支c的距離S2相等,且a=3b=3c, Imm ^ S1 ^ 10mm。
[0012]上述的射頻識(shí)別分形天線，其特征在于:介質(zhì)板上、下兩面的M行N列樹枝狀陣列單元嚴(yán)格對(duì)齊，即兩個(gè)面的樹枝狀陣列單元在垂直空間面重疊。
[0013]上述的射頻識(shí)別分形天線，其特征在于:所述輻射貼片和天線底板均采用金屬矩形貼片，且天線底板大于輻射貼片。
[0014]上述的射頻識(shí)別分形天線，其特征在于:同軸饋線穿過天線底板在輻射貼片的一側(cè)進(jìn)行饋電。
[0015]本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0016]I)本實(shí)用新型由于采用樹枝狀超材料介質(zhì)板，并將設(shè)計(jì)的樹狀超材料介質(zhì)板置于輻射貼片和天線底板之間，可通過控制超材料介質(zhì)板來實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率，從而利用超材料介質(zhì)板的透射禁帶特性實(shí)現(xiàn)天線雙頻段工作，避開了復(fù)雜的開槽線及疊加貼片等繁瑣的技術(shù)，易于加工、調(diào)試和批量生產(chǎn)。
[0017]2)本實(shí)用新型天線由于采用超材料介質(zhì)板實(shí)現(xiàn)了雙頻段工作，所用的輻射貼片未經(jīng)過開槽、切角等技術(shù)，所以輻射貼片的面積與空氣微帶天線的輻射貼片面積大小一致，從而保證了較高的天線輻射效率。
[0018]通過實(shí)測(cè)表明，本實(shí)用新型天線具有很好的輻射特性，完全覆蓋中國(guó)射頻識(shí)別RFID所需的840~845MHz和920~925MHz兩個(gè)頻段。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)主視圖，
[0020]圖2為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；
[0021]圖3為本實(shí)用新型的超材料介質(zhì)板分形陣列示意圖；
[0022]圖4為本實(shí)用新型超材料介質(zhì)板的磁導(dǎo)率圖，實(shí)線表示實(shí)部，虛線表示虛部；
[0023]圖5為本實(shí)用新型的天線駐波比實(shí)測(cè)圖；
[0024]圖6為本實(shí)用新型的天線雙頻段實(shí)測(cè)方向圖；其中圖6(a) *f = 843MHz的方向圖，圖6(b)為? = 923MHz的方向圖。
【具體實(shí)施方式】[0025]參照?qǐng)D1和圖2，本實(shí)用新型包括樹枝狀超材料介質(zhì)板1、輻射貼片2、同軸饋線3和天線底板4。樹枝狀超材料介質(zhì)板I放置在輻射貼片2與天線底板4之間，并通過泡沫固定。輻射貼片2和天線底板4均為金屬矩形貼片，且天線底板4大于輻射貼片2。同軸饋線3穿過天線底板4在輻射貼片2的一側(cè)進(jìn)行饋電，并將同軸饋線的外皮連接在天線底板4上，將同軸饋線的芯線連接到輻射貼片上，形成空氣微帶貼片天線。
[0026]參照?qǐng)D3，所述樹枝狀超材料介質(zhì)板1，其上、下兩面均刻蝕有M行N列形狀相同的樹枝狀陣列單元5，2，NS 2，每個(gè)單元5均采用具有自相似特征的分形結(jié)構(gòu)。該自相似特征的分形結(jié)構(gòu)，類似于樹枝形狀，它包括四個(gè)十字交叉的分支，每個(gè)分支由一個(gè)主干和與主干垂直的兩個(gè)分支組成，且離十字交叉點(diǎn)較近的第一分支c位于主干a的左側(cè)，離十字交叉點(diǎn)較遠(yuǎn)的第二分支b位于主干a的右側(cè)。該第一分支c與十字交叉點(diǎn)的距離S1與第二分支b到第一分支c的距離S2相等，且a=3b=3c, Imm ^ S1 ^ 50mm。通過調(diào)整每個(gè)單元5的尺寸、單元間的距離d及介質(zhì)板的介電常數(shù)，可實(shí)現(xiàn)介質(zhì)板的負(fù)磁導(dǎo)率，以實(shí)現(xiàn)透射禁帶，從而構(gòu)成超材料介質(zhì)板，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)天線的雙頻段工作。
[0027]以下給出本實(shí)用新型天線不同參數(shù)的實(shí)施例:
[0028]實(shí)施1.
[0029]本實(shí)用新型的輻射貼片2和天線底板4采用矩形銅片，輻射貼片2的長(zhǎng)、寬分別為L(zhǎng)1=Hemm^ff1=ISOmm,天線底板4的長(zhǎng)、寬分別為L(zhǎng)2=270mm、W2=212mm。樹枝狀超材料介質(zhì)板I采用電路板刻蝕技術(shù)，在大小為120mmX 120mm、厚度為1.5mm、介電常數(shù)ε = 2.33的聚四氟乙烯基板上、下面刻蝕樹狀結(jié)構(gòu)，兩面的樹枝狀陣列單元5嚴(yán)格對(duì)齊。通過電磁仿真軟件HFSS優(yōu)化,優(yōu)選:主干a=9mm,第一分支c=3mm,第二分支b=3mm,陣列單元5之間的距離d=21.5mm,樹狀超材料介質(zhì)板I與天線底板4的距離H1=Qmm,福射貼片2和天線底板4之間的距離SH2=18mm，兩分支之間的夾角Θ = 90°。
[0030]實(shí)施2.
[0031]本實(shí)用新型的輻射貼片2和天線底板4采用矩形鐵片，輻射貼片2的長(zhǎng)、寬分別為L(zhǎng)1=Hemm^ff1=ISOmm,天線底板4的長(zhǎng)、寬分別為L(zhǎng)2=270mm、W2=212mm。樹枝狀超材料介質(zhì)板I采用電路板刻蝕技術(shù)，在大小為128mmX 128mm、厚度為1.6mm、介電常數(shù)ε = 2.13的介質(zhì)基板上、下面刻蝕樹狀結(jié)構(gòu)，兩面的樹枝狀陣列單元5嚴(yán)格對(duì)齊。通過電磁仿真軟件HFSS優(yōu)化，優(yōu)選:主干a=9.6mm,第一分支c=3.2mm,第二分支b=3.2mm,陣列單元5之間的距離d=22.5mm,樹狀超材料介質(zhì)板I與天線底板4的距離H1=Qmm,福射貼片2和天線底板4之間的距離SH2=18mm，兩分支之間的夾角Θ = 90°。
[0032]實(shí)施3.
[0033]本實(shí)用新型的輻射貼片2和天線底板4采用矩形鋁片，輻射貼片2的長(zhǎng)、寬分別為L(zhǎng)1=Hemm^ff1=ISOmm,天線底板4的長(zhǎng)、寬分別為L(zhǎng)2=270mm、W2=212mm。樹枝狀超材料介質(zhì)板I采用電路板刻蝕技術(shù)，在大小為130mmX 130mm、厚度為1.7mm、介電常數(shù)ε = 2.02的介質(zhì)基板上、下面刻蝕樹狀結(jié)構(gòu)，兩面的樹枝狀陣列單元5嚴(yán)格對(duì)齊。通過電磁仿真軟件HFSS優(yōu)化，優(yōu)選:主干a=10.5mm,第一分支c=3.5mm,第二分支b=3.5mm,陣列單元5之間的距離d=25.5mm,樹狀超材料介質(zhì)板I與天線底板4的距離H1=Qmm,福射貼片2和天線底板4之間的距離SH2=18mm，兩分支之間的夾角Θ = 90°。
[0034]本實(shí)用新型的效果可通過以下測(cè)試數(shù)據(jù)說明:[0035]測(cè)試1:在微波暗室用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8753ES測(cè)試其S參數(shù)，然后反衍出超材料結(jié)構(gòu)磁導(dǎo)率，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，本實(shí)用新型天線的超材料結(jié)構(gòu)在878~910MHz內(nèi)磁導(dǎo)率為負(fù)值，具有透射禁帶特性。
[0036]測(cè)試2:在微波暗室用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8753ES測(cè)試天線駐波比，在儀器上設(shè)置頻段700MHz~1000MHz，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，本實(shí)用新型天線在所需頻段840~845MHz和920~925MHz的駐波比:VSWR≤2:1。
[0037]測(cè)試3:在Airlink3D微波暗室測(cè)量天線方向圖，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖6所示，其中圖6 (a)為f = 843MHz的方向圖，圖6 (b)為f = 923MHz的方向圖，虛線表示E面，實(shí)線表示H面。由圖6可看出本實(shí)用新型天線在兩個(gè)工作頻段都具有較好的方向圖。
[0038]以上描述僅是本實(shí)用新型的一個(gè)具體事例，不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的任何限制，顯然對(duì)于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來說，在了解了本實(shí)用新型內(nèi)容和原理后，都可能在不背離本實(shí)用新型原理、結(jié)構(gòu)的情況下，進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本實(shí)用新型思想的修正和改變?nèi)栽诒緦?shí)用新型的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種射頻識(shí)別分形天線，包括輻射貼片(2)、同軸饋線(3)和天線底板(4)，其特征在于: 輻射貼片(2)與天線底板(4)之間設(shè)有樹枝狀超材料介質(zhì)板(1)，該介質(zhì)板(I)的上、下兩面均刻蝕有M行N列形狀相同的樹枝狀陣列單元(5)，M ^ 2, N ^ 2,每個(gè)單元均采用具有自相似特征的分形結(jié)構(gòu)； 所述自相似特征的分形結(jié)構(gòu)，類似于樹枝形狀，它包括四個(gè)十字交叉的分支，每個(gè)分支由一個(gè)主干和與主干垂直的兩個(gè)分支組成，且離十字交叉點(diǎn)較近的第一分支c位于主干a的左側(cè)，離十字交叉點(diǎn)較遠(yuǎn)的第二分支b位于主干a的右側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻識(shí)別分形天線，其特征在于:第一分支c與十字交叉點(diǎn)的距離S1與第二分支b到第一分支c的距離S2相等,且a=3b=3c, Imm ^ S1 ^ 50mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻識(shí)別分形天線，其特征在于:介質(zhì)板(I)上、下兩面的M行N列樹枝狀陣列單元(5)嚴(yán)格對(duì)齊，即兩個(gè)面的樹枝狀陣列單元在垂直空間面重疊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻識(shí)別分形天線，其特征在于:所述輻射貼片(2)和天線底板(4)均采用金屬矩形貼片，且天線底板(4)大于輻射貼片(2 )。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻識(shí)別分形天線，其特征在于:同軸饋線(3)穿過天線底板(4)在輻射貼片(2)的一側(cè)進(jìn)行饋電。
【文檔編號(hào)】H01Q5/10GK203553353SQ201320636936
【公開日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2013年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月15日
【發(fā)明者】劉國(guó), 張海光, 張輝, 王毅, 徐良 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)