基于領帶結Sierpinski分形結構的RFID標簽

1 引 言

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術是興起于上世紀90年代的一項自動識別技術。該技術利用無線射頻方式進行雙向通信，并在一定工作距離內達到識別目標與數據交換的目的。同其他的磁卡、IC卡等識別技術相比，射頻識別技術最大的優勢在于他是以非接觸的方式進行工作，可以稱之為第三代的自動識別技術。

從系統的工作頻率上，RFID系統可以劃分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)、微波等頻段。其中，低頻與高頻的RFID系統已廣泛應用于門鎖、智能卡、圖書館等眾多的領域，其技術也已相對成熟。而對于超高頻的RFID系統，由于其閱讀距離更遠、讀取速度更快、并具有多目標快速識別等優勢，已受到更加廣泛的關注。近年來，隨著超高頻RFID技術在眾多場合--物流和供應管理、生產制造和裝配、行李／郵包追蹤、圖書管理、身份證識別、運動計時、門禁系統、高速公路自動收費等的成功試點，已顯示其廣闊的應用前景。

一個射頻識別系統由兩部分組成：讀寫器和電子標簽。其中天線在讀寫器和電子標簽中都擔當了重要的角色。他被用來發射和接收信號，并擔負著向電子標簽芯片中耦合能量的重要任務。所以，電子標簽天線設計的好壞直接影響了電子標簽的識別距離，并決定了整個系統的識別率。而對于電子標簽天線方面的研究，卻很少見諸報導。RFID系統中，由于電子標簽需要附著在被識別和物體上，作為被識別物體的身份象征，并由于被識別物體的多樣性，因而，人們對電子標簽的天線提出了很高的要求，主要體現在電子標簽的寬頻帶范圍更廣、天線的體積更小、便于安裝和攜帶，同時也要求天線具有很高的效率。天線的設計很大程度上依賴于天線的工作頻率，然而也有許多類型的天線具有很寬的工作帶寬，如螺旋天線、對數周期天線、喇叭天線等，這些天線從某種意義上講具有分形理論中所講的自相似性，分形幾何的自相似性與天線工作頻率的對應關系對天線的設計而言具有重要的意義。

針對這些需求，本文介紹了基于領帶結SierpinskiGasket分形結構的標簽天線，并對不同分形維數的標簽天線分別比較了其諧振頻率、S11等特性，從中選出了適合于RFID系統所使用的標簽天線，并分析了其端口特性與分形自相似結構間的對應關系。

文中將Sierpinski分形天線與領帶結天線相結合，提出了一種領帶結型的Sierpinski分形電子標簽天線，從仿真結果可看出，由于分形結構的自相似性，高階結構的Si-erpinski領帶結型天線顯示了多頻段的工作特性。同時，由于其結構簡單而且適合于印刷加工，因而這種天線形式特別適合于作為RFID系統中的電子標簽天線。

2 Sierpinski分形天線特性

Sierpinski三角形分形結構是從一個等邊三角形中反復依次去掉一個反向的等邊三角形構造出來的，如圖1所示，Sierpinski三角形分形結構的分形維數為：

由圖1可見，Sierpinski天線輪廓的總面積保持不變，隨著迭代階數增加，其內部空白面積逐漸增加，因而，與文獻[2]中提到的Hilbert分形天線具有空間填充特性恰好相反，其內部空白區間具有擴充性。

3領帶結Sierpinski分形標簽天線結構

根據圖2中的Sierpinski分形結構，本文提出了如圖2所示的領帶結Sierpinski標簽天線結構。

4領帶結Sierpinski分形標簽天線分析

根據圖2中的分形結構，在εr=2.2，h0=1 mm的介質基板上刻一個以兩個等邊三角形的Sierpinski Gasket的分形結構為基礎的領帶結天線，饋電點位置設為圖2中的o點。選取了尺寸l1=48 mm，l2=24 mm，l3=12 mm。此時，0階領帶結Sierpinski標簽天線的諧振頻率為915 MHz，用HFSS方法對圖2中各階天線進行仿真，結果如圖3所示，天線參數見表1。

從圖3和表1中可以看出：

(1)對于理想的偶極子分形天線，隨著分形階數的上升，他將出現多頻帶特性。一階分形結構中，在低端產生了一個諧振點f=940 MHz，在高端也產生了一個諧振點f=3.615 MHz，且出現較好的效率和寬帶特性。

(2)從0～1階的變化中還可以看到，標簽天線的方向圖和增益都沒有太大的變化，仍然保持著較好的性能，不僅可以滿足標簽多頻段的要求，而且對生產成本的縮減也是非常有意義的。

(3)但是，隨著分形階數的上升，在低端，天線的增益和輻射效率呈現下降趨勢，這表明通過分形來獲得多頻段是以降低一部分增益和效率為代價的。

5結 語

基于領帶結Sierpinski Gasket分形結構的標簽天線由于具有內部空白區間的擴充性，隨著階數的增加，在保證多頻段特性的同時，有效地保持了天線的增益和效率不急劇下降。利用此分形結構的標簽天線，可以實現多頻段高效率的RFID標簽天線，有利于生產規模化與RFID的普及。