基于分形理论的UHF RFID读写器天线的设计

孙 笠

（北京邮电大学国际学院物联网工程 北京 100876）

基于分形理论的UHF RFID读写器天线的设计

孙 笠

（北京邮电大学国际学院物联网工程 北京 100876）

引言

阅读器天线的输入参数如阻抗、带宽，则影响RFID阅读器与天线的匹配程度，决定了阅读器的能量及数据发送和接收质量的好坏。因此，天线性能的好坏对整个射频识别系统的性能具有重要的影响［1］。Manderblot在1975年提出了分形理论。本文采用分形理论和HFSS软件来构建新型的天线模型。

1.天线设计的理论分析

RFID阅读器天线大多属于传统类型的微带天线，由于结构、安装和使用环境等变化多样，并且阅读器产品朝着小型化甚至超小型化方向发展，常规的方法虽然可以通过提高基片介电常数、加载短路棒、加载缝隙，实现贴片天线的小型化设计，但是这些方法不但对天线的性能有较大影响，而且会导致阅读器天线的成本上升，加大仿真设计的难度。

1.1 分形天线理论

将分形应用于天线的设计主要是用来实现天线小型化和天线的多频特性，分形天线解决了传统天线的两个局限性。

（1）通常天线的性能都依赖于天线的电尺寸。这就意味着对于固定的天线尺寸，主要天线参数将随着工作频率的改变而改变。分形的自相似性使分形天线具有多频和宽频特性。

（2）分形的空间填充性，使一些尺寸得到减缩［3］。

1.2 两种经典的分形结构

1.2.1 Minkowski分形环的迭代生成

假设复平面上给定两点，坐标分别为a0和b0。上标0表示初始单元，1表示生成单元，下标表示点排号。对于初始单元，有；对于生成单元，设，令：

将平面上两点距离用模和幅角来表示。

1.2.2 Sierpinski毯结构

国内外关于Sierpinski毯结构天线研究的很深入，其构造过程为：将一个正方形等分分割成9个小正方形，去掉中间的小正方形，剩下8个小正方形；对剩下的小正方形分别再做9等分分割，并去掉各自中间的小正方形，剩下64个小正方形；如此反复分割操作，直至无穷，就构造成Sierpinski方毯［5］。

1.3 圆极化理论

圆极化的关键是激励两个极化方式的线极化波，当这两个极化方式的线极化波幅度相等、相位相差90°时，就能得到圆极化波的辐射。获得圆极化特性的馈电方式有两种，一种是单点馈电，另一种是正交馈电。本节主要介绍单点馈电圆极化微带天线的实现原理。

1.4 最大读取距离的计算

当无源RFID系统正常工作时，阅读器能够激活标签，标签获取能量返回信号被阅读器识别的最大距离Rmax。阅读器天线在方向（θtrans，ϕtrans ，Rmax）上传播距离R的功率谱密度为：根据Friis空间公式，得到RFID标签天线的接收功率表达式为：

式中， Gtag（θtag,ϕtag）为标签接收天线在 （θtag,ϕtag）方向上的增益， λ为波长，为天线极化损耗因子，通常对于线极化和圆极化天线，极化损耗因子都是0.5。

由式（4）～式（6），可得到：

当谐振频率为922MHz时，阅读器与标签间的识别距离最大。本文用到的阅读器灵敏度为-80dBm，该阅读器可以接收到标签方向散射回来的信号，满足设计要求。

2.天线的优化和仿真

根据中国UHF频段射频识别技术的标准，所设计的天线应满足以下指标。

（1）工作频率能够完全覆盖920～925MHz；

（2）当中心频率为922MHz时，增益达到-30 dB；

（3）增益在-10dB以下的带宽大于10MHz；

（4）驻波比<2，达到了较高的圆极化性能；

（5）和传统天线相比，尺寸缩减；

（6）识别距离大于5m。

2.1 分形天线的建模

方形Sierpinski毯天线具有明显的多频特性，但是尺寸上还是显得过大；Minkowski微带贴片天线尺寸较小，但是频带较窄。匈牙利人Vicsek提出了一个操作方法，将一个正方形9等分，只保留中心和四个角上的小正方形，其余的去掉，得到这样的图形称为1阶Vicsek图形。如果将中间的贴片变大，保持外围尺寸不变。

若采用1阶Vicsek的模型，通过HFSS软件仿真后，天线的带宽较窄且增益较小。因此，本文对四个角上及中间的正方形进行开槽，对模型加以改进，以增大天线的频带宽度，提高增益。

2.2 天线的优化和仿真

通过使用HFSS商业软件对改进后的天线进行仿真，得到天线的扫频分析仿真看得：天线的中心频率为0.9762GHz，不满足中国超高频频段的标准。对天线模型再次改进，采用的方式为对地板开槽，以使谐振频率左移。

经多次优化仿真，最后确定所开槽的宽度为2mm，长度为24.5mm。此时使用HFSS软件对天线进行仿真，得到再次改进后的天线扫频分析仿真后可得：谐振频率为922MHz，增益为-30.1614 dB，-10dB以下频带宽度为15MHz，满足设计要求。

天线的输入阻抗仿真后可得：当谐振频率为922MHz时，天线的输入阻抗为52？，接近50？，满足设计要求。

为了实现天线的圆极化，天线的电压驻波比<2，使用HFSS软件进行仿真，当频率位于914.3～929.2MHz范围内，天线的电压驻波比<2，能够很好地实现天线的圆极化，满足设计的要求。

3 结束语

设计的天线经过仿真，中心频率为922MHz，增益达到-30dB；当增益在-10dB以下，频率从914MHz上升至929MHz时，带宽达到15MHz，完全覆盖中国的超高频频率（920～925MHz）的范围；电压驻波比<2，具有很好的圆极化性能；归一化输入阻抗为52？。各项参数都很好地满足设计要求，完全符合中国超高频频段的标准。天线长度和宽度尺寸为60mm？60mm，比传统的90mm？90mm缩减了33%，比改进型传统尺寸70mm？70mm缩减了14.29%。设计的阅读器天线理论识别距离最大达到7.16 m，适用于煤矿井下人员定位系统。