加载Sierpinski垫片天线

分享到:

0 引言
   
射频识别(Radio Frequency IdentificationRFID)20世纪90年代兴起的一项自动识别技术。该技术利用无接触方式获取目标信息,并与目标信息进行双向通信。由 于其无接触的工作特性,它被称为第三代自动识别技术。一个自动识别系统有两个部分组成:读写器和电子标签。天线在读写器和电子标签中间担当着十分重要的作 用,它是两者之间实现非接触双向通信必不可少的器件。天线被用来发射和接收信号,并且担当着电子标签芯片中耦合能量的重要作用。所以电子标签天线设计的好 坏直接影响着系统的工作距离以及使用范围。
   
RFID系统应用中,电子标签天线需要附着在需要识别的物体上,作为识别物品的身份象征,并且由于被识别物体的多样性,人们对电子标签天线提出了更高的 要求,主要体现在宽频带、小型化、便于安装和携带,同时要求天线有高的效率。天线设计很大程度依赖天线的频率,有些类型的天线具有很宽的带宽,如螺旋天 线。这种天线从某种意义上来说是分形天线的自相似性具体化,分形天线的自相似性对于电子标签天线的设计具有具有重要意义。
   
分形天线是一种新型天线,它将分形几何应用于天线,完全不同于传统意义上的欧式几何天线。分形结构的高度空间自填充特性可以转变为分形天线的小型化特征, 例如Koch分形天线、Hilbert分形天线、Minkinski分形天线等。分形结构的自相似性可以转变为分形天线的多频段特性,典型的有 Sierpinski分形天线。
   
本文提出了一种新型分形天线加载的Sierpinski垫片天线,与传统天线相比,此天线充分利用了新型分形结构的高度自填充性以及Sierpinski分形天线的的多频段特性,从而实现了一种新型的小型化、多频段分形天线。

1
分形结构的几何描述和天线生成
   
分形结构的天线构造形式很多,本文采用两点格式法进行构造新型分形天线。先定义一个初始元和一个生成元,初始元给定了分形图形的框架,生成元给定了新型分形天线的构造方法。此新型分形天线的初始元和生成元如图1所示。


   
1中符号的上标代表迭代次数,下标代表坐标点。选取:
  
   
式中:k=14为分形凹入的宽度。
   
由分形理论可以知道,该新型分型结构的分形维数D取决于以下方程:
  
   
通过1阶生成元的迭代过程,可以进行再次迭代得到2阶及3阶生成元。虽然此新型分形曲线具有与Koch分形结构相同的迭代特性以及空间填充特性,但是分形 迭代在实际中不可能无限制的迭代下去,研究发现,此新型曲线在降低谐振频率上有一个极限值,一般在5阶以上性能就不明显了,这里称之为分形极限。同时,由 于现代制造工艺的限制,一般分型天线都在5阶以下。
   
此新型分形曲线同Koch分形曲线有很多相似之处,1阶新型分形曲线比1Koch曲线长3018%,2阶新型分形曲线比同阶的Koch曲线长144 倍,而且具有分形天线的特性。由此可以说明,此分形天线具有比Koch分形结构更强的自填充能力,用在天线设计中可以实现更长的电流有效路径,从而降低谐 振频率,实现天线的小型化。

2 Sierpinski分形天线
    Sierpinski
三角形是由波兰数学家Sierpinski提出的一种分形结构,图2显示了使用迭代函数系统(IFS)构造Sierpinski分形天线的过程,它的分形维数为:D=In 3In 2=158


2
1 Sierpinski分形结构的边长对天线性能的影响
   
对于Sierpinski分形天线,这里研究了角度均为600,比例因子均为05时,三角形的边长分别为48 mm56 mm60 mm时,基于0阶和1阶的偶极子天线性能。天线结构如图3所示。利用HFSS 110进行仿真,其中1阶分形结构仅列出低频谐振频率,仿真结果如表1所示。


   
1仿真结果表明:在天线比例因子不变,角度不变的条件下,随着边长的增长,谐振频率、谐振深度、带宽BW(VSWR<2)均在逐渐减小,这是由于 增益虽然变化不是十分明显,但是依然可以看出边长为60 mm时天线的增益最大,这有益于天线校正。总之,基于Sierpinski分形结构的天线的第一谐振频率与天线的周长和高度有关。在保持天线的周长和高度 不变的条件下,阶数的变化不会影响第一谐振频率点。
2
2 角度不同,对天线性能的影响
   
对于0Sierpinski分形天线而言,其实它就是两块三角形的平板,三角形板型天线为宽频带天线,这里研究当其两条边相同,但其所夹角不同时,天线 的性能。天线的边长为60 mm时,所夹角分别为30°60°90°,由HFSS 11O仿真得其天线性能如表2所示。


   
从表2的仿真结果可以看出,角度为30°时,其天线的增益最大,同时,无论是角度大小,其谐振频率基本上是不变的。这是因为,对于Sierpinski垫片分天线而言,电流主要沿着三角形的两条边流动,而此时天线的边长都相等,所以谐振频率基本不变。
2
3 比例因子对天线性能的影响
   
文献中比较了张角θ=60°不变的条件下,比例因子δ分别为15167Sierpinski分形天线谐振频率的影响。结果表明随着比列因子δ的减 小,天线的谐振频率将向低频端移动。每种天线相邻谐振频率间的比率除第一个以外,均与其各自的比例因子值基本相同。谐振频率间的第一个比值相对偏大,这是 因为在天线的低频段,电流分布于整个天线表面,天线的终端效应比较强的缘故。研究表明Sierpinski分形天线迭代次数的增加,会出现多个谐振频率 点,且第一个谐振频率点与三角形的高度有关,辐射方向图与天线在空间的分布有关,而与天线的迭代次数没有关系。同时也给出,当角度减小到一定程度时,天线 的多频段特性均不明显。

3
新型分形加载的Sierpinski垫片天线
   
基于以上分析,设计出一款谐振在915 MHz新型加载Sierpinski垫片偶极子天线,此天线采用NXPG2XM标签芯片,其参数为在915 MHz时,芯片对外呈现阻抗为22-j195 Ω,天线的大小为96 mm×54 mm,它由顶角为60°1Sierpinski分形和顶角为30°0Sierpinski分形组成,在1Sierpinski分形天线的两边加 载新型分形天线,中间点为馈电点。天线模型如图4所示。


此天线利用新型分形加载Sierpinski天线,由于Sierpinski天线的电流主要沿着三角形的两条边流动,在三角形的两条边上加载新型分形天 线,有效延长了电流的有效路径,进而可以降低天线的谐振频率。同时,新型加载从另一个角度来说,在角度不变的条件下,使三角形的高度增加,有效延展天线电 流有效路径,减小了天线的大小。利用夹角为30°0Sierpinski垫片天线高增益、宽频带特性,在谐振频段内实现了比较深的谐振深度,使得驻波 比更小。通过HFSS 11O仿真,天线的增益方向图如图5所示,图6为回波损耗曲线及驻波比曲线。



   
从图5和图6中可以看出,在915 MHz,天线的谐振深度为-34 dB,其驻波比为105,天线的增益为228 dB,在VSWR<2时,带宽为190 MHz,相对带宽达到208%。在902928 MHz时,天线的驻波比均在115以下。
   
在天线的设计中,新型分形天线的宽度对谐振深度的影响比较大,考虑到工业应用的要求以及谐振深度的因素,此天线的宽度为021 mm,同时,天线宽度的增大,也能微弱地降低谐振频率。天线的宽度做得过宽,对新型分形天线的迭代次数受到限制,正如前文所说,虽然理论上可以无限迭代, 但是一般在5阶以下,迭代次数再增加,影响将不明显。
   
高阶新型分形加载Sierpinski垫片天线,能极大地降低高频端的谐振频率。对2阶新型分形加载天线;甚至能将高频端的谐振频率降低3 GHz以上,同时保持天线的辐射方向图基本不变。实际中高阶分形天线的宽度应该在O0502 mm,这将严重影响低频端的谐振频率的谐振深度,尤其是第一谐振频率,但对高频端的谐振频率将产生很好的效果,使得更加小型化、多频段的天线得到实现。

4
结语
   
介绍了一款新型的分形天线,它比Koch分形具有更强的空间自填充能力,同时分析了Sierpinski垫片分形天线性能的影响因素:三角形的边长、角度 和比例因子。在此基础上,设计了一款新型分形加载的Sierpinski垫片天线,它充分利用了新型分形天线的空间填充能力,延长了 Sierpinski分形天线的电流有效路径,增大了谐振波长,从而降低谐振频率,减小天线的尺寸,达到了极深的谐振深度。在无线电设备要求日益小型化的 今天有着实际的价值。

继续阅读
MIT研究人员正在开发轻型RFID标签

据外媒报道,麻省理工学院(MIT)的工程师正在开发一种方法,可以将不起眼的RFID标签变成用于物联网的光敏传感器。基于钙钛矿薄膜电池,目标是制造价格低廉,可与互联网连接的传感器,这种传感器无需电池或其他外部电源即可运行数月甚至数年。

芝加哥大学研发运用RFID技术的智能穿戴设备

只要长号上安装一个 RFID(射频识别)的标签,当人们戴上可穿戴设备抓住长号,设备中的天线就能检测到物体并下载长号程序,设备就会按程序启动,并让人们按正确的音符演奏出音乐。

日本便利店采用RFID技术助力智慧零售

在日本生活的一种乐趣是能够在任何时间进入便利店购买零食,支付水电费或购买一些你现在真正需要的必需品。日本在20世纪70年代借用了美国的便利店概念,并且在此后的几十年里,它已经成为独一无二的。今天日本有大约58,000个便利店,从紧凑的空间出售各种各样的食品,饮料和干货。年销售额约为11万亿日元。

RFID与IoT之间的发展和联系

物联网(the Internet of Things,IoT)被称为继计算机、互联网之后的世界信息产业的第三次浪潮。物联网就是一个实现“物与物相连”的互联网网络,实现万物互联,万物智能化,提供更加便捷的服务,这就涉及到自动识别技术,其中射频识别(Radio Frequency Identifiction,RFID)技术就是关键了。

RFID技术助力机器人在几毫秒内完成定位

RFID定位原理类似于GPS定位,RFID标签在接收到多个读写器信号后,根据每个读写器的信号值计算出所在坐标。RFID定位技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据,实现移动设备识别和定位的目的。它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息,且传输范围大、成本较低。