用于電子商務物流業務電子標簽的雙頻分形天線

摘 要： 電子標簽（RFID）依托射頻通信技術實現非接觸式自動識別，在電子商務的物流業務上被廣泛的應用。天線在RFID系統中具有重要的地位，天線設計及制造技術是RFID的核心關鍵技術之一。針對RFID系統雙頻工作的要求，設計了兩款能夠雙頻帶工作的π型分形折疊偶極子天線，使其能夠同時覆蓋現代電子商務物流RFID系統常用的兩個工作頻段：0.902～0.928 GHz和2.4～2.483 5 GHz，且在兩個工作頻段都有較好的性能，分別仿真并測試了兩款天線的回波損耗和方向圖特性。

關鍵詞： 射頻識別； 雙頻天線； 分形天線； π型分形結構； 折疊偶極子天線

中圖分類號： TN821.4?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）17?0085?04

0 引 言

電子商務作為一個新的業務形態正逐步成為商業的主流，電子商務企業開展業務過程中市場營銷和推廣活動面對的是全網用戶，龐大的客戶群會在活動的短時間內同時產生大量的物流需求。在2012年淘寶雙11節的促銷活動中，當日產生8 000多萬單的快件，而目前我國整個物流行業單日運力之和僅有1 600萬～2 000萬單左右，沒有更加科技化和自動化手段支持的物流系統無法滿足電子商務物流業務的需求，無法有效支撐網絡經濟的發展。借助電子標簽技術的現代化電子商務物流揀貨系統需要逐步建設和推廣。自動化的電子標簽揀貨系統一般包括主機、控制器、電子標簽、系統軟件、數據庫、機械設備等，通過系統化的統一服務，可以大幅度地提高分揀效率，減少誤撿率，從而提高電子商務物流的整體效率。

電子標簽即射頻識別（RFID）技術是20世紀90年代開始興起的一種用射頻通信實現的非接觸式自動識別技術[1]。與傳統的自動識別系統如條形碼相比，RFID技術具有很多優勢：可以定向或不定向的遠距離讀取或寫入數據，無需保持識別的目標可見，可以透過外部非屏蔽材料讀取數據，可以在復雜環境下工作，可以同時處理多個電子標簽，可以儲存的信息量較大等等[2]。天線是一種將無線電收發信機的射頻功率信號以電磁波的形式接收或輻射出去的器件，天線所形成的電磁場強度和有效作用范圍決定了RFID系統的識別距離和范圍，因此天線設計及制造技術是RFID的核心關鍵技術之一[3?5]。

1 雙頻RFID系統對天線的要求

當前，國際上RFID系統兩個常用工作頻段的頻率范圍分別為0.902～0.928 GHz和2.4～2.483 5 GHz，其帶寬要求分別為[6?7]26 MHz和83.5 MHz。由于傳統的天線只能工作在單一的頻段范圍內，應用傳統天線的RFID標簽只能被工作在某一頻率上的讀寫設備所讀取，若更換不同頻率的讀寫設備，則標簽失效，這限制了RFID系統的應用范圍。而應用了雙頻天線的RFID標簽使問題變得簡單，它可以被工作在兩個頻段的讀寫設備識別，具有良好的頻率兼容性。現有的雙頻RFID天線兩個工作頻段的性能常出現不平衡，呈現“一主一從”的輻射特性，天線在兩個工作頻段的回波損耗和帶寬有較大差異，限制了雙頻RFID天線的應用。

一款性能良好的雙頻RFID天線，必須能夠同時覆蓋現代RFID系統兩個常用工作頻段：0.902～0.928 GHz和2.4～2.483 5 GHz，且在兩個工作頻段都有較好的性能，天線的回波損耗[S11]值在兩個工作頻帶內都應在-10 dB以下，低頻段的回波損耗最小值應小于-20 dB，工作帶寬應大于100 MHz；高頻段的回波損耗最小值應小于-20 dB，工作帶寬應大于200 MHz；天線在兩個工作頻段都應有全向輻射特性。

2 π型分形折疊結構簡介

分形天線是把天線輻射結構設計為分形結構的天線，其整體與局部以及局部和局部之間都具有自相似性[8?9]，多層次的自相似性使得分形天線上的射頻電流得到均勻分布，因此天線具備寬頻工作特性。

π型分形結構是一種線式分形結構，其迭代構造過程如下：將一條一定長度的直線段分為三段，分別在左右兩段橫向線段和中段橫向線段間插入兩段縱向線段，即構成一個1 階π型折線。對1 階π型分形折線的所有直線段依次進行π型分形折疊，則生成了2階π型分形折線，如圖1所示。

3 1階雙頻π型分形折疊偶極子天線的設計與制作

在遠距離耦合的RFID應用系統中，最常用的是偶極子天線。典型的偶極子天線由兩段同樣粗細和等長的直導線排成一條直線構成[10]。為了縮小天線的尺寸，使之可以放進RFID標簽或讀寫器中，采用π型分形折疊技術對偶極子天線臂進行了改進設計。

4 2階雙頻π型分形折疊偶極子天線的設計與制作

上節中設計的1階雙頻π型分形折疊偶極子天線基本滿足了設計要求，但在低頻段回波損耗最小值偏高；在高頻段輻射強度不夠均勻，有一定的方向性，還需要進一步改進。構成天線臂的π型分形折疊是一種線分形結構，高階的線分形結構具有更好的自相似特性，由其組成的天線將具備更好的性能。因此在設計改進型天線結構時，使用2階π型分形折疊結構來設計天線的折疊臂。2階π型分形折疊結構由一條直線段經過兩次π型分形折疊變換得到，第一次變換得到如圖2所示的變形π型分形折疊結構，再將其所有直線段依次迭代生成2階π型分形折線結構。在設計中，使用FR4介質板作為天線的介質基板。介質板厚度為[h=1.5]mm，相對介電常數[εr=3.7]。天線尺寸為66 mm×45 mm。天線結構如圖6所示。

天線整體可以看作是兩個分別工作在不同頻段的折疊偶極子天線的疊加。根據式（1）可得，工作在0.902～0.928 GHz頻段的天線臂總長約為86 mm，由一個橫向臂和一個折疊臂相融合而成，橫向臂長度為15.25 mm，折疊臂由一個原長度為21 mm的直線段經過兩次π型分形折疊變換得到；工作在2.4～2.483 5 GHz頻段的天線臂總長約為32 mm，由一個橫向臂和一個折疊臂相融合而成，橫向臂長度為3.25 mm，折疊臂由一個原長度為9 mm的直線段經過兩次π型分形折疊變換得到。在設計過程中，依然在天線輻射臂下方添加了鏡像補償結構來改善天線性能。

根據上文所述設計方案，用腐蝕工藝制板法制作出了天線樣品，如圖7所示。

天線的回波損耗測量結果如圖8（a）所示，天線的低頻段諧振頻率在0.90 GHz處，諧振頻率處的回波損耗[S11]值[（S11]最小值）為-21.42 dB，天線的工作帶寬為0.204 GHz；天線的高頻段諧振頻率在2.43 GHz處，諧振頻率處的回波損耗[S11]值[（S11]最小值）為-21.36 dB，天線的工作帶寬為0.241 GHz。

測得天線在0.90 GHz和2.43 GHz時的方向圖如圖8（b），圖8（c）所示。天線低頻段E面方向圖有兩個瓣，一個在310°～50°之間，另一個在130°～240°之間，兩個瓣基本上覆蓋大部分角度，低頻段H面方向圖全向覆蓋；天線高頻段E面方向圖有兩個瓣，一個在310°～70°之間，另一個在110°～230°之間，兩個瓣基本上覆蓋大部分角度，高頻段H面方向圖全向覆蓋。該天線在兩個工作頻段均具有全向輻射特性。

5 結 論

本文針對電子商務物流系統電子標簽的天線雙頻工作及各個工作頻段性能平衡的要求，分別采用1階π型分形折疊結構和2階π型分形折疊結構，設計了兩款能夠雙頻帶工作的分形天線，用腐蝕工藝制板法制作了天線樣品，并對天線的回波損耗和方向圖特性進行了測試。測試結果顯示，兩款天線的回波損耗[S11]值在兩個工作頻帶內都在-10 dB以下，天線完全覆蓋了0.902～0.928 GHz和2.4～2.483 5 GHz兩個工作頻段；兩款天線低頻段的工作帶寬都大于100 MHz，高頻段的工作帶寬應都大于200 MHz；兩款天線在兩個工作頻段都具有全向輻射特性。1階π型分形天線在低頻段由于制作公差造成了天線輕度失配，回波損耗最小值偏高；在高頻段輻射強度不夠均勻，有一定的方向性。作為改進設計的2階π型分形天線解決了上述問題，在縮小天線尺寸的同時降低了天線低頻段的回波損耗最小值，且使天線在高頻段的輻射強度分布更加均勻，全向輻射特性更好。該款天線完全實現了設計要求，在兩個工作頻段都有較好的性能，且工作性能平衡。

參考文獻

[1] FINKENZELLER Klaus.射頻識別（RFID）技術[M].陳大才，譯.2版.北京：電子工業出版社，2001.

[2] 中國科技部.中國射頻識別（RFID）技術政策白皮書[M].北京：中國科技部，2006.

[3] 盧萬錚.天線理論與技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.

[4] 聞映紅.天線與電波傳播理論[M].北京：清華大學出版社， 2005.

[5] 鐘順時.天線理論與技術[M].北京：電子工業出版社，2011.

[6] LIN B， ZHOU Jian?hua， YOU Bai?qiang， et al.A dual?frequency ceramic spiral antenna with rectangle PBG structure array used for modern RFID system [C]// IET 2nd International Conference on Wireless， Mobile and Multimedia Networks. Beijing， China： ICWMMN， 2008： 94?97.

[7] 尹以雁.多應用環境的新型介質諧振RFID標簽天線研究[D].廣州：華南理工大學，2010.

[8] MANDELBROT B B. The fractal geometry of nature [M]. New York： W. H. Freeman， 1982.

[9] 趙勇.分形微帶天線的研究[D].上海：華東師范大學，2009.

[10] 尚丹.偶極子天線在電子標簽中的應用研究[D].大連：大連海事大學，2007.

作者簡介：方建生 男，1972年出生，福建建甌人，碩士研究生，副教授。主要研究方向為自動化、電子商務、信息技術。

林 斌 男，1984年出生，福建三明人，碩士研究生，講師。主要研究方向為單片機應用和射頻器件設計。