電子與信息工程畢業論文：基于分形結構的RFID標簽天線的設計與分析.doc

本 科 畢 業 設 計 基于分形結構的 RFID 標簽天線的設計與分析 所在學院 專業班級 電子與信息工程 學生姓名 學號 指導教師 職稱 完成日期 年 月 I 摘要 通信系統的飛速發展對天線設計提出了越來越高的要求。通信設備的體積不斷減小，需要小型化天線；而通信頻帶不斷向多頻段 、高頻段發展又推動了多頻天線和寬帶天線的發展。寬帶天線可以覆蓋很寬的頻率范圍，使得通信系統不必使用多個天線，可以提高電磁兼容的性能；但是在某些時候又希望有選擇地接收所需要頻率的信號，防止出現干擾，需要使用多頻天線。因此，天線的小型化、多頻天線和寬帶天線就成為了目前天線研究的重要問題。 分形具有空間填充能力和自相似屬性。當把分形的概念用于天線的設計時，就得到了分形天線。分形天線具有小巧、輕便、易于匹配的優點，同時有的還具有多頻帶、寬頻帶特性，因此，它特別適合于當前寬帶、超寬帶通信領域。 本文對分形天線的基本理 論進行了闡述總結，仿真設計了一個二階的 sierpinski 正方形毯式結構分形天線，了解了 sierpinski 天線的多頻帶特性，并分別就天線介質基片的厚度、介質的介電常數以及天線饋線點的位置的變化對天線性能的影響做了仿真分析，發現介質基片的厚度增加，天線的帶寬和增益有所增大，諧振頻率往低頻移動；介電常數增大，諧振點也往低頻移動，但帶寬和增益有所降低；饋線點對天線的影響是在一段范圍內的，在該段范圍內，天線的性能較為優越。本文就 sierpinski 天線的特性做了微小的仿真研究，以便實際制作應用當中做出理論參考。 關鍵詞： 分形；多頻帶天線； sierpinski 天線 II ABSTRACT The rapid development of communication system requires more and more on the antennas’ design. The miniaturization of the communication equipments calls for miniaturized antennas, while the increase of the communication frequency bands puts forward the development of multi-band and ultra-wideband (UWB) antennas. UWB antennas cover wide frequency range which avoids the communication systems to equip several antennas and they instead decrease the size of the facility and improve the electromagnetic compatibility. Meanwhile, it is demanded sometimes that the antenna can receive signals at appointed frequency points to reduce the interference. Under such circumstances, multi-band antennas can meet this demand. Thus, the research work of the antennas nowadays focuses on the miniaturization, multi-band and ultra-wideband characteristics. ‘Fractal’ has space filling ability and self-similarity ability. When applying the ‘Fractal’ to the design of antennas， we get the fractal antennas. Fractal antennas have shown the possibility to miniaturize antennas and improve matching. They can also be configured to operate effectively at various frequency.So,they are well suited to the development of broad band and super-broad band wireless communications. In this paper, fractal antenna s basic theory was expounded summary, the simulation design a second order sierpinski square carpet fractal antenna, to understand sierpinski antenna multi-band characteristics, and in respect of the antenna dielectric substrate thickness, the medium dielectric constant and the antenna feed point of the change of the position of the antenna perance is simulated analysis, we found increased thickness of dielectric substrate, the antenna bandwidth and gain have increased, the resonant frequency to the low mobility; dielectric constant increases, the resonant point also to the low mobility, but the bandwidth and gain is reduced; feeder point of the antenna is in a range, in the context of the paragraph, the antenna s perance is more superior. In this paper, the characteristics of the antenna made sierpinski small simulation study in order to make them actual production application of theoretical reference. Keywords: fractal; multi-band antenna; sierpinski antenna III 目錄 第 1 章 緒論 1 1.1 研究背景與意義 . 1 1.2 RFID 系統及工作原理 1 1.2.1 RFID 系統的組成 . 1 1.2.2 RFID 系統的工作原理 . 2 1.3 RFID 天線國內外研究現狀 2 1.3.1 天線小型化技術 3 1.3.2 多頻天線技術 4 1.3.3 寬帶天線技術 4 1.4 本文的研究內容和結構 . 6 第 2 章 RFID 天線的理論基礎 . 7 2.1 天線的基本原理 . 7 2.1.1 天線的輻射原 理 7 2.1.2 天線的分析方法 7 2.1.3 天線的饋電技術 10 2.2 天線的基本參數 11 2.2.1 天線的輸入阻抗、 方向系數和增益 .11 2.2.2 天線的極化方式和比吸收率 12 2.2.3 天線的品質因數和帶寬 13 第 3 章 分形天線仿真設計與分析 15 3.1 分形 . 15 3.1.1 分形的定義 15 3.1.2 分形的維數 16 3.2 分形天線 . 18 3.2.1 幾種常見的分形天線 18 3.2.2 分形 天線的小型化及多頻帶應用 21 3.3 分形天線的結構設計 . 22 IV 3.4 分形天線的仿真分析 . 24 3.4.1 介質厚度對天線的影響 24 3.4.2 介質介電常數對天線的影響 25 3.4.3 同軸饋線點位置對天線的影響 29 結論 31 致謝 錯誤 !未定義書簽。 參考文獻 32 1 第 1 章 緒論 1.1 研究背景與意義 RFID 是 Radio Frequency Identification 的縮寫，即射頻識別技術，是通過無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信，對目標加以識別并獲取相關數據的自 動識別技術 [1]。 RFID 是近幾年發展起來的前沿科技項目。其主要優點是環境適應性強，不受天氣環境的影響，可以全天候，無接觸地完成自動識別，跟蹤和管理，而且具有較強的抗干擾能力。因此世界各國都在大力發展 RFID 技術，該技術被列為 21 世紀十大重要技術之一。 在無線系統中，天線是電磁波的入口和出口。作為接收天線時，它擔負著捕獲自由空間中的時變電磁場中的能量，并將其轉換成時變電流的重要職責。作為發射天線時，它負責將時變電流以電磁波的形式輻射出去。因此，天線性能的好壞直接影響著整個系統的性能。 隨著無線通信技術的發展 以及各種通信標準的日益興起，無線產品功能越來越復雜，一般能夠支持多個頻段的不同通信標準。無線產品內部的電路也更為復雜，在無線終端設計時預留給天線空間也越來越少，而對天線的功能要求也越來越多。在市場上，無線產品種類繁多，用戶在選擇產品時有著更多的選擇空間。用戶對無線產品的要求不僅僅滿足于其性能，同時還對產品的外形有著較高的要求。大多數用戶趨向于購買體積小、便于攜帶的無線產品。因此無論是技術還是市場，都要求無線設備往小型化的方向發展。電路的高度集成化可以跟上無線設備小型化的需求，天線的體積往往成為無線產品體積縮 減的“瓶頸”。目前小型化、多頻段、寬頻帶是天線設計的一個重要的發展趨勢。 1.2 RFID 系統及工作原理 1.2.1 RFID 系統的組成 一般地，射頻識別系統主要由閱讀器和電子標簽組成 [2]，為了有效地進行數據的處理，計算機網絡和數據管理系統等外圍設備也是必不可少的。如圖 1.1。 2 圖 1.1 RFID 系統的基本組成 (1)閱讀器。閱讀器是利用射頻技術讀寫電子標簽信息的設備。閱讀器讀出電子標簽內的信息可以通過計算機以及網絡系統進行管理和信息的傳輸。 (2)電子標簽。電子標簽是射頻識別系統真正的數據載體。它存儲著需要被識別物體的相關信息，通常被放置在需要被識別的物體上，它所存儲的信息通常被閱讀器通過非接觸方式讀寫。 (3)計算機網絡。在射頻識別系統中，計算機網絡通常用于對數據進行管理，完成通信的傳輸功能。閱讀器可以通過標準接口與計算機相連，以便實現通訊和數據的傳輸功能。 1.2.2 RFID 系統的工作原理 射頻識別系統的基本工作流程如下 : (l)閱讀器將無線電載波信號經過閱讀器天線向外發射； (2)當電子標簽進入閱讀器天線的工作區時，電子標簽被激活，將 自身信息代碼經電子標簽天線發射出去； (3)閱讀器天線接收電子標簽天線發出的信號，經閱讀器天線的調節器傳輸給閱讀器 ;閱讀器對接收的信號進行解調解碼，通過計算機網絡送往后臺的電腦控制器； (4)電腦控制器根據邏輯運算判斷該電子標簽的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發出指令控制執行機構動作； (5)執行機構按照電腦的指令動作； (6)通過計算機通信網絡將各個監控點連接起來，構成總控信息平臺，根據不同的項目可以設計不同的軟件來完成要達到的功能。 1.3 RFID 天線國內外研究現狀 RFID 天線 的研究是隨著 RFID 技術的應用而發展的。從天線類型上看可用于制作射頻標簽的平面天線有 :微帶天線，縫隙天線，偶極子天線等等。從頻率上看，經過多年的發展， 13.56MHZ及以下的射頻識別技術己相對比較成熟 :目前位于中高頻段的 RFID 技術，特別是 860MHz 一960MHz(UHF)頻段的遠距離 RFID 技術發展最快 ;而 2.45GHz 和 5.8GHz 頻段由于產品擁擠，易射頻識別閱讀器 數據管理系統 閱讀器天線 標簽天線 電子標簽 網絡 能量 時序 3 受干擾，技術相對復雜，其相關的研究和應用仍處于探索階段。目前， RFID 天線的研究方向主要趨向于小型化、多頻帶和超帶寬，國內外對這些方面也有了一定的研究成 果。 1.3.1 天線小型化技術 天線小型化是指在滿足天線的技術指標（包括：增益、方向圖、輸入阻抗、極化特性等）的前提下，天線的結構尺寸與其它形式天線相比較小的天線，這個結構尺寸是指三維尺寸，無論從那一個維度實現了尺寸縮減，均可以認為達到了天線小型化的效果。一般來講，這類天線的設計是十分困難的。因為當頻率一定時，電磁波在自由空間的波長是確定的，天線作為與自由空間實現能量耦合的元件，其電性能直接受到波長尺寸的限制，結果是天線的方向性、效率、帶寬等技術指標和結構尺寸構成矛盾的關系。如何協調和折中上述關系以獲得工作在具體應用背景的最佳天線結構則成為天線小型化的核心問題。 目前，國內外實現天線小型化的方法主要有： (1)天線加載。典型的小型化加載技術可以分為五種 [3]： ①充分利用天線的環境 (尤其是設備自身 )，盡量讓天線周圍的環境也參與輻射； ②介質材料加載，會影響天線的帶寬； ③應用短路技術加載，將會導致饋電結構對尺寸要求敏感，加工要求較高； ④利用集總元件加載，若引入有耗元件會導致效率降低，增益下降； ⑤對天線進行彎折或引入孔徑。 (2)附加有源網絡。 縮小無源天線的尺寸，會導致輻射電阻減小，效率降低，可利用有源 網絡的放大作用及阻抗補償技術彌補由于天線尺寸縮小引起的指標下降。但有源天線已不屬于常規的無源天線形式，需另加供電電路和有源器件，且考慮噪聲及非線性失真問題，增加了天線的復雜程度 [4]。 (3)加地板。根據鏡像原理，可以使對稱振子天線的尺寸減小大約 50%，而且較大的地板可以使天線的增益提高。但是考慮到地板的尺寸，這種方法應用的場合十分有限。而且地板還會對天線的方向圖產生影響 [5]。 (4)采用特殊材料基片。 從微帶天線諧振頻率計算公式可知，采用高介電常數（如陶瓷材料）或高磁導率材料（如磁性材料）的基片可降低諧 振頻率，從而減小天線尺寸。高介電常數介質基片天線的主要缺陷是：表面損耗大，增益小，效率低，帶寬窄。采用鐵氧體材料制成的天線實現小型化的同時能在較寬頻帶范圍內做到頻率可調（達 40%），但鐵氧體在微波頻段損耗很大。 (5)表面開槽。主要應用在微帶天線中，由于采用了曲流技術，結構簡單、成本低廉、加工方便。其特點是：隨著槽長度增加，天線諧振頻率降低，天線尺寸減小，但尺寸過分縮減會引起性能急劇劣化，其中帶寬與增益尤為明顯 [6]。 (6)采用分形結構。 20 世紀七十年代末提出的分形幾何理論近年來得到了廣泛的重視。1990 年 D.L.Jaggard 提出了分形電動力學，確定了將分形與麥克斯韋電磁理論相結合的新方向。通過設計出合適的分形結構，使得天線所占空間尺寸減小，而天線的性能基本保持不變，則達到天線小型化的目的。目前，在天線小型化方面采用的分形結構主要有 Koch、 Hilbert、Peano、 Minkowski、 3/2Curve 曲線以及相應分形結構組成的陣列等 [7]. 4 1.3.2 多頻天線技術 能夠多頻工作的天線需要具有多諧振特性或者寬帶特性。具有寬帶特性的天線的工作頻帶包含了多個頻段，可以作為多頻天線使用，但是有時多頻天線還 要求具有頻率選擇性，就是在能同時滿足若干個頻段工作的時候還要對特殊的頻段進行限制 [8]。通常對多頻天線的要求是：首先要在若干個頻點處具有諧振特性，并具有一定的帶寬；其次需要這若干頻點的方向圖和增益不能有太大的變化或者是要滿足設計要求；最重要的一點是諧振頻點要具有可控性，這是多頻天線設計所必須的。 當前，有許多種天線結構都能夠實現多頻特性： (1)引入不同諧振單元。 通過引入不同的諧振單元可以實現天線的多諧振特性，而對不同的諧振單元可以采用直接饋電的方式，包括串聯饋電或者并聯饋電 [9]。 (2)引入寄生單元。 通過引入和主輻射單元諧振在不同頻率下的寄生單元的方式，也可以實現天線的多頻特性，這時一般采用的饋電方式是對主輻射單元直接饋電，對寄生單元則通過主輻射單元耦合饋電（間接饋電），這種方法不僅可以用于普通金屬天線，也適用于介質諧振天線 [10]。以上兩種方法通過合理地選取諧振單元的諧振頻率，還可以實現展寬頻帶的功能[11]。 (3)利用不同的模式。對于微帶貼片天線而言，可以在單一貼片的情況下利用幾種不同的模式來實現雙頻或者多頻工作。 (4)天線加載。通過加載的方法改變微帶貼片天線的場分布，進而使天線的諧振頻率受到干 擾，最終實現雙頻或者多頻工作。如探針加載的雙頻天線。 (5)表面開槽。在微帶天線的貼片上開槽也視為一種加載方式，通過開槽，改變貼片的表面電流分布，最后實現多頻天線要求。通過采用不同的貼片形狀、不同的開槽方案、不同的貼片數量以及不同的饋電形式可以得到各種多頻微帶天線。 (6)采用電可重構天線。 電控可重構天線 (Electronic Reconfigurable Antenna)也可以作為多頻天線來使用，但是這種天線不能同時工作于多個頻段。它是一種新穎的，并且越來越引起天線設計領域關注的天線技術，這種天線能夠在 不改變機械結構的情況下，通過非機械的手段來改變關鍵的特性參數，如工作頻率、輻射方向圖、極化方式、雷達散射截面和輸入阻抗等等。 (7)采用分形結構。由于分形結構具有自相似特性，所以可以應用在多頻天線中。分形和其它方法相比，有如下特點： ①采用嵌套結構的多個諧振單元實現多頻，嵌套單元之間滿足相似關系，通過控制相似比可以滿足不同頻段的需要； ②嵌套的各個諧振單元之間可以通過幾個小區域直接相連，也可以沒有共同邊界，通過電磁耦合相互作用，該類天線保證多頻的一個重要特點就是天線整體存在電流截斷效應； ③由于存在截斷效應 ，所以分形多頻天線的最低頻率與其它頻率之間的比例關系不一致，而與最大尺寸有關。 1.3.3 寬帶天線技術 天線的頻帶寬度是指天線的主要電指標如增益、主瓣寬度、副瓣電平、輸入阻抗、極化5 方式等特性滿足設計要求的頻率范圍，或稱天線的工作帶寬。當精確描述天線的帶寬時，則更多地采用阻抗帶寬和方向圖帶寬。通常采用兩種表達方式，一種稱“相對帶寬”，一種是“倍頻帶寬”。 相對帶寬 ? 定義為： max minmax min2ff? ? ?? （ 1-1） 式中 maxf —— 工作頻帶的上限頻率 , minf —— 工作頻帶的下限頻率 倍頻帶寬 B 的定義是：工作頻帶的上限頻率與下限頻率之比，即 maxminfB f? (1-2) 一般而言，窄頻帶天線多使用相對帶寬一詞，而寬頻帶天線通常采用倍頻帶寬的表示方法。“窄”與 “寬”都是相對的，沒有嚴格的定義。習慣上， B≥ 2 就認為是寬帶天線， B≥ 10時為超寬帶天線。 目前，國內外展寬天線頻帶的方法主要有： (1)天線加載。對于電小天線來說，展寬帶寬可以通過輻射體本身加載、饋電點加載、有源網絡和無源網絡加載以及混合方法等途徑實現。加載天線的加載元件為電阻或電抗元件，可以在天線上集中分布也可以分散分布，可以是串聯型或并聯型，具體可以包括串聯分布加載天線、串聯集中加載天線和混合式加載天線等。隨著脈沖雷達技術的發展，還出現了用于接收針對具有納秒級寬度時域脈沖輻射的天線，如采用分布式電阻加 載的偶極天線 [12]。 (2)寬帶振子。振子類天線是最基本的天線形式，普通的振子天線是諧振天線，其電流為駐波分布，輸入阻抗是頻率的敏感函數。尤其是輸入電抗的變化規律還隨頻率呈現周期性變化，所以，常采用變化振子的外形來實現其工作頻帶的展寬。目前常見的天線形式有：套筒振子天線、錐形天線，包括單錐、不等角錐、變形錐、盤錐天線、鉆石振子天線 [13]、球形偶極子天線等，在文獻 [14]中總結了一系列最新的超寬帶印刷單極天線。 (3)漸變結構。漸變結構的天線最主要的形式為槽線天線，槽線天線是從槽線傳輸線演變來的，該傳輸線 由一個介質板和開槽的金屬板構成，其特性阻抗和波導波長等參數隨頻率變化緩慢。從結構上看，槽線寬帶天線有 Vivaldi、 LTSA[15]等。 (4)頻率無關結構。該類天線主要包括對數周期天線和螺旋天線，對數周期天線是由長度按照一種規律變化的，相互之間平行的具有離散自相似結構的許多半波振子通過傳輸線的饋電而形成的電特性隨著頻率的對數作周期性變化的天線，只要在一個周期內天線的特性變化不大就稱之為電特性頻率無關。螺旋天線也是一種頻率無關結構，這種天線在開始具有最高諧振頻率，在末端諧振頻率最低，在較寬的頻率范圍內具有連 續的變化，天線的結構和天線上電流的相位使該天線在空間產生圓極化的電磁波。 (5)采用厚基片。這種展寬頻帶的方式是針對微帶天線的，微帶天線是一種諧振式天線，其諧振特性類似一個高品質因數的并聯諧振電路，根據這種電路的特點，可以通過降低等效諧振電路的品質因數的方法使天線的頻帶得到展寬。由于因輻射引起的品質因數與基片厚度成負相關，所以采用厚基片可以有效地展寬微帶天線的阻抗帶寬。文獻 [16， 17]提出了兩種展寬微帶天線頻帶的方法，在微帶天線的設計中引入了可以調節厚度的 V 形和楔形空氣隙，使得微帶天線的阻抗帶寬和傳統微帶 天線相比大為增加，但是卻產生了制作復雜且 不 易共形等缺點。