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基于领带结Sierpinski分形结构的RFID标签天线
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1 引 言
射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术是兴起于上世纪90年代的一项自动识别技术 ]。该技术利用无线射频方式进行双向通信，并在一定工作距离内达到识别目标与数据交换的目的。同其他的磁卡、IC卡等识别技术相比，射频识别技术最大的优势在于他是以非接触的方式进行工作，可以称之为第三代的自动识别技术。
从系统的工作频率上，RFID系统可以划分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)、微波等频段。其中，低频与高频的RFID系统已广泛应用于门锁、智能卡、图书馆等众多的领域，其技术也已相对成熟。而对于超高频的RFID系统，由于其阅读距离更远、读取速度更快、并具有多目标快速识别等优势，已受到更加广泛的关注。近年来，随着超高频RFID技术在众多场合— — 物流和供应管理、生产制造和装配、行李／1t$包追踪、图书管理、身份证识别、运动计时、门禁系统、高速公路自动收费等的成功试点，已显示其广阔的应用前景。
一个射频识别系统由两部分组成：读写器和电子标签。其中天线在读写器和电子标签中都担当了重要的角色。他被用来发射和接收信号，并担负着向电子标签芯片中耦合能量的重要任务。所以，电子标签天线设计的好坏直接影响了电子标签的识别距离，并决定了整个系统的识别率。而对于电子标签天线方面的研究，却很少见诸报导。RFID系统中，由于电子标签需要附着在被识别和物体上，作为被识别物体的身份象征，并由于被识别物体的多样性，因而，人们对电子标签的天线提出了很高的要求，主要体现在电子标签的宽频带范围更广、天线的体积更小、便于安装和携带，同时也要求天线具有很高的效率。天线的设计很大程度上依赖于天线的工作频率，然而也有许多类型的天线具有很宽的工作带宽，如螺旋天线、对数周期天线、喇叭天线等，这些天线从某种意义上讲具有分形理论中所讲的自相似性，分形几何的自相似性与天线工作频率的对应关系对天线的设计而言具有重要的意义 。
针对这些需求，本文介绍了基于领带结SierpinskiGasket分形结构的标签天线，并对不同分形维数的标签天线分别比较了其谐振频率、S 等特性，从中选出了适合于RFID系统所使用的标签天线，并分析了其端口特性与分形自相似结构间的对应关系。
文中将Sierpinski分形天线与领带结天线相结合，提出了一种领带结型的Sierpinski分形电子标签天线，从仿真结果可看出，由于分形结构的自相似性，高阶结构的Si—erpinski领带结型天线显示了多频段的工作特性。同时，由于其结构简单而且适合于印刷加工，因而这种天线形式特别适合于作为RFID系统中的电子标签天线。
2 Sierpinski分形天线特性
Sierpinski三角形分形结构是从一个等边三角形中反复依次去掉一个反向的等边三角形构造出来的，如图1所示，Sierpinski三角形分形结构的分形维数为：D— log 3／log 2— 1．58
射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术是兴起于上世纪90年代的一项自动识别技术 ]。该技术利用无线射频方式进行双向通信，并在一定工作距离内达到识别目标与数据交换的目的。同其他的磁卡、IC卡等识别技术相比，射频识别技术最大的优势在于他是以非接触的方式进行工作，可以称之为第三代的自动识别技术。
从系统的工作频率上，RFID系统可以划分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)、微波等频段。其中，低频与高频的RFID系统已广泛应用于门锁、智能卡、图书馆等众多的领域，其技术也已相对成熟。而对于超高频的RFID系统，由于其阅读距离更远、读取速度更快、并具有多目标快速识别等优势，已受到更加广泛的关注。近年来，随着超高频RFID技术在众多场合— — 物流和供应管理、生产制造和装配、行李／1t$包追踪、图书管理、身份证识别、运动计时、门禁系统、高速公路自动收费等的成功试点，已显示其广阔的应用前景。
一个射频识别系统由两部分组成：读写器和电子标签。其中天线在读写器和电子标签中都担当了重要的角色。他被用来发射和接收信号，并担负着向电子标签芯片中耦合能量的重要任务。所以，电子标签天线设计的好坏直接影响了电子标签的识别距离，并决定了整个系统的识别率。而对于电子标签天线方面的研究，却很少见诸报导。RFID系统中，由于电子标签需要附着在被识别和物体上，作为被识别物体的身份象征，并由于被识别物体的多样性，因而，人们对电子标签的天线提出了很高的要求，主要体现在电子标签的宽频带范围更广、天线的体积更小、便于安装和携带，同时也要求天线具有很高的效率。天线的设计很大程度上依赖于天线的工作频率，然而也有许多类型的天线具有很宽的工作带宽，如螺旋天线、对数周期天线、喇叭天线等，这些天线从某种意义上讲具有分形理论中所讲的自相似性，分形几何的自相似性与天线工作频率的对应关系对天线的设计而言具有重要的意义 。
针对这些需求，本文介绍了基于领带结SierpinskiGasket分形结构的标签天线，并对不同分形维数的标签天线分别比较了其谐振频率、S 等特性，从中选出了适合于RFID系统所使用的标签天线，并分析了其端口特性与分形自相似结构间的对应关系。
文中将Sierpinski分形天线与领带结天线相结合，提出了一种领带结型的Sierpinski分形电子标签天线，从仿真结果可看出，由于分形结构的自相似性，高阶结构的Si—erpinski领带结型天线显示了多频段的工作特性。同时，由于其结构简单而且适合于印刷加工，因而这种天线形式特别适合于作为RFID系统中的电子标签天线。
2 Sierpinski分形天线特性
Sierpinski三角形分形结构是从一个等边三角形中反复依次去掉一个反向的等边三角形构造出来的，如图1所示，Sierpinski三角形分形结构的分形维数为：D— log 3／log 2— 1．58
图1 O～4阶Sierpinski三角形分形结构
由图1可见，Sierpinski天线轮廓的总面积保持不变，随着迭代阶数增加，其内部空白面积逐渐增加，因而，与文
献中提到的Hilbert分形天线具有空间填充特性恰好相反，其内部空白区间具有扩充性。
3 领带结Sierpinski分形标签天线结构
根据图2中的Sierpinski分形结构，本文提出了如图2所示的领带结SierpJnski标签天线结构。
图2 领带结Sierpinski标签天线结构
4 领带结Sierpinski分形标签天线分析
根据图2中的分形结构，在e，一2．2，h。一1 mm 的介质基板上刻一个以两个等边三角形的Sierpinski Gasket的分形结构为基础的领带结天线，馈电点位置设为图2中的O点。选取了尺寸￡1—48 mm，￡2—24 mm，￡3—12 mm。此时，0阶领带结Sierpinski标签天线的谐振频率为915 MHz，用HFSS方法对图2中各阶天线进行仿真，结果如图3所示，天线参数见表1。
表1 领带结Sierpinski标签天线参数
从图3和表1中可以看出：
(1)对于理想的偶极子分形天线，随着分形阶数的上升，他将出现多频带特性。一阶分形结构中，在低端产生了一个谐振点f=940 MHz，在高端也产生了一个谐振点f=3．615 MHz，且出现较好的效率和宽带特性。
(2)从0～1阶的变化中还可以看到，标签天线的方向图和增益都没有太大的变化，仍然保持着较好的性能，不仅可以满足标签多频段的要求，而且对生产成本的缩减也是非常有意义的。
(3)但是，随着分形阶数的上升，在低端，天线的增益和辐射效率呈现下降趋势，这表明通过分形来获得多频段是以降低一部分增益和效率为代价的。
图3 领带结Sierpinski标签天线的s1及方向图仿真结果
5结语
基于领带结Sierpinski Gasket分形结构的标签天线由于具有内部空白区间的扩充性，随着阶数的增加，在保证多频段特性的同时，有效地保持了天线的增益和效率不急剧下降。利用此分形结构的标签天线，可以实现多频段高效率的RFID标签天线，有利于生产规,与RFID的普及。
作者：燕山大学电气工程学院 刘奕昌，关新平
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