CN101656352B - 双频镜像分形偶极子天线 - Google Patents

Abstract

双频镜像分形偶极子天线，涉及一种偶极子天线。提供一种尺寸小、带宽大、回波损耗较低，且具有全向辐射特性的双频镜像分形偶极子天线。设有基板，基板的两面均覆有金属层，其中一面金属层为2对偶极子臂，2对偶极子臂镜像对称设置，偶极子臂为二分之三分形曲线结构(3/2curve)的偶极子天线辐射贴片，另一面金属层为矩形阵列光子带隙结构。具有尺寸小、带宽大、辐射特性好的特点，可达到小型化RFID天线的目的，完全可以将其放在RFID标签或读写器里。还具有结构简单、制造工艺简单、成本低、全向辐射性能佳和易于集成等突出优点，能够满足RFID应用系统中对天线的具体要求。

Description

双频镜像分形偶极子天线

技术领域

本发明涉及一种偶极子天线，尤其是涉及一种双频镜像分形偶极子天线。

背景技术

射频识别技术(Radio Frequency Identification，缩写为RFID)是20世纪90年代开始兴起的一种用射频通信实现的非接触式自动识别技术。RFID标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理等，将此技术与互联网、通讯等技术相结合，用于物流、制造、公共信息服务等行业，可实现高效管理与运作，降低成本。随着安全软信息相关技术的不断完善和成熟，RFID系列产业将成为一个新兴的高技术产业群，成为国民经济新的增长点，对提升社会信息化水平、促进经济可持续发展、提高人民生活质量、增强公共安全与国防安全等方面都将产生深远的影响，并具有重大的战略性意义。

天线设计及制造技术是射频识别技术的核心关键技术之一，天线的各项特性及形态大小，极大程度地影响了射频识别系统的工作性能及应用领域，随着RFID技术系列应用的飞速发展，人们对RFID天线在宽带化、小型化、宽标定无适应性、抗破坏性、多频段多网络兼容性等方面提出了更高的要求。天线在RFID系统中具有举足轻重的地位，对其进行深入的研究具有重要的参考价值和实用意义。

在远距离耦合RFID应用系统中，最常用的是偶极子天线(又称对称振子天线)。典型的偶极子天线由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成，信号从中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上将产生一定的电流分布，这种电流分布就在天线周围空间激发起电磁场。当单个振子臂的长度L＝λ/4时(半波振子)，输入阻抗的电抗分量为零，天线输入阻抗可视为一个纯电阻。在忽略天线粗细的横向影响下，偶极子天线设计可以取振子的长度L＝λ/4的整数倍。

20世纪70年代，法国数学家B.B.Mandelbrot在总结了自然界中非规则几何图形后，第一次提出了分形这个概念，认为分形几何学可以处理自然界中那些极小规则的构型，指出分形几何将成为研究许多物理现象的有力工具。

到了20世纪80年代，关于波与分形结构相互作用的研究促进了分形电动力学的发展，而分形天线正是分形电动力学的众多应用之一。它能够使得我们有效地设计小型化天线或把多个无线电通信元件集成到一块组件上。分形几何是通过迭代产生的具有自相似特性的几何结构，它的整体与局部之间以及局部与局部之间都具有自相似性，天线的分形设计是电磁理论与分形几何学的融合。研究发现，与传统天线相比，分形天线具有小型化、宽频带、多频工作、高辐射电阻、自加载等优点，能够很好地满足RFID系统对天线的要求。

射频识别系统的典型工作频段有：902～928MHz，2.45GHz，5.8GHz。

二分之三分形曲线(3/2curve)结构的天线是一种典型的分形天线。S.Sadat等人曾将这种形状的分形结构用于微带天线的设计，获得了良好的天线性能.尤启迪以及赵波等在各论文中也对二分之三分形曲线(3/2curve)作了基本介绍。分形结构的初始元为一条线段，将其四等分，将第二段和第三段分别向上向下移动与第一段等长距离，然后两边均用垂直线连接第一段和第四段，即构成一阶分形结构。将一阶分形结构的各条线段继续四等分，重复一阶的分法，得到二阶二分之三curve分形结构。按此迭代，可生成各高阶分形结构。二分之三分形曲线(3/2curve)结构的分形天线具有良好的宽频带特性，在微带天线中获得很好应用。此外，它还有助于改善辐射方向图和减小交叉极化。

对于目前的RFID天线，常规的微带天线尺寸明显过大，且存在工作带宽小等缺点，即便通过插入短路针、使用馈电环路等技术来进行改进，效果仍不理想。偶极子天线不仅具有尺寸小、辐射能力强、制造工艺简单、成本低等特点，而且具有全向辐射特性，能够满足RFID应用系统中对天线的具体要求。光子带隙(PBG，Photonic Band-Gap)结构由一种介质材料在另一种介质材料中周期分布所组成。这种结构可以通过缩放尺寸关系应用于很宽的频率范围，因此近几年来微波与毫米波领域的PBG结构应用越来越引起人们的关注。在PBG结构中，电磁波经周期性介质散射后，某些波段电磁波强度会因破坏性干涉而呈指数衰减，无法在该结构中传播，于是在频谱上形成带隙。PBG结构在微波领域，特别是微波电路和天线领域中有着巨大的应用价值，现已被广泛地应用到微波、毫米波波段的电路与器件的设计中。合理应用光子带隙结构能够改善天线的辐射特性，展宽天线的工作带宽。汤伟等人在印刷偶极子天线的设计中添加镜像补偿结构，实验证明镜像结构能很好的改善天线的回波损耗，并在一定程度上扩展天线的工作带宽。目前，把二分之三curve分形贴片、应用镜像结构，以及光子带隙结构结合起来制作双频偶极子天线，并应用在RFID系统中的2.4GHZ和5.8GHZ工作频段的相关技术未见报道。

汤伟等([6]汤伟，林斌，周建华，游佰强.一种小型化RFID标签天线的仿真设计.厦门大学学报(自然科学版)，2008，47：50-54)报道了一种小型化RFID标签天线的仿真设计。

黄龙海等([7]黄龙海，傅佳晨，陈浩，游佰强.光子带隙微带天线的分析与设计.集美大学学报(自然科学版)，2007，12(1)：33-37)报道了一种光子带隙微带天线的分析与设计。

陈浩等([8]陈浩、游佰强，蓝牙微带天线的设计和仿真，厦门大学学报(自然科学版)，2005，44(增刊)，307-311)报道了一种蓝牙微带天线的设计和仿真。

发明内容

本发明的目的在于提供一种尺寸小、带宽大、回波损耗较低，且具有全向辐射特性的双频镜像分形偶极子天线。

本发明设计的双频段覆盖常用频段为2.256～2.535GHz和5.708～6.12GHz。

本发明设有基板，基板的两面均覆有金属层，其中一面金属层为2对偶极子臂，2对偶极子臂镜像对称设置，偶极子臂为二分之三分形曲线结构(3/2curve)的偶极子天线辐射贴片，另一面金属层为矩形阵列光子带隙结构。

所述基板最好为绝缘阻燃基板，基板等级优选FR4，可优选环氧树脂基板，基板的相对介电常数最好为5±25％。基板最好为矩形基板，所述矩形基板的尺寸最好是长度为24.5mm±0.25mm，宽度为13mm±0.25mm，厚度为0.8mm±0.25mm。

光子带隙双频镜像分形偶极子天线辐射贴片由2对左右对称的偶极子天线辐射贴片构成，在2对偶极子天线辐射贴片的左右对称中心线上设有断开间隙，断开间隙的两侧设有天线馈电点。2对偶极子天线辐射贴片呈左右镜像结构及上下镜像结构。

矩形阵列光子带隙结构最好设有3行3列共9片矩形片，每行设有3片矩形片，每列设有3片矩形片，行与行之间相互平行，列与列之间相互平行，每行中的各片矩形片之间相互平行，每列中的各片矩形片之间相互平行。矩形阵列光子带隙结构的各个矩形片的尺寸相同。每片矩形片的长度为2mm±0.25mm，宽度为2mm±0.25mm。每行中相邻两片矩形片的间距为1.5mm±0.25mm，每列中相邻两片矩形片的间距为1.5mm±0.25mm。矩形阵列光子带隙结构下边沿与基板下边沿的距离为1mm±0.25mm，矩形阵列光子带隙结构左边沿与基板左边沿的距离为7.75mm±0.25mm，矩形阵列光子带隙结构右边沿与基板右边沿的距离为7.75mm±0.25mm。

与用于射频识别(RFID)系统的常规微带天线比较，本发明具有以下突出的优点和显著的效果：

由于采用上述结构，本发明具有双频工作频带，即2.4G频段和5.8G频段，2.4G频段为2.256～2.535GHz，绝对带宽0.28GHz，相对带宽17％；5.8G频段为5.708～6.12GHz，绝对带宽0.412GHz，相对带宽6.96％。天线尺寸为常规微带天线尺寸的10％。

由此可见，本发明具有尺寸小、带宽大、辐射特性好的特点，可达到小型化RFID天线的目的，完全可以将其放在RFID标签或读写器里。本发明还具有结构简单、制造工艺简单、成本低、全向辐射性能佳和易于集成等突出优点，能够满足RFID应用系统中对天线的具体要求。

附图说明

图1为本发明实施例的基板和2对镜像对称的偶极子臂的结构示意图。

图2为本发明实施例的基板和矩形阵列光子带隙的结构示意图。

图3为本发明实施例的回波损耗(S₁₁)性能图。图3中的横坐标表示频率Frequency(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度The return loss.of the antenna(dB)。

图4为本发明实施例的H面方向图。在图4中的坐标为极坐标。

图5为本发明实施例的E面方向图。在图5中的坐标为极坐标。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

参见图1，本发明设有双面覆铜的环氧树脂基板1，基板1为FR4基板，其中一面覆铜层为2对相同呈镜像对称的偶极子臂，即左偶极子天线辐射贴片21和右偶极子天线辐射贴片22。偶极子臂结构为一阶的二分之三分形曲线(3/2curve)结构。基板1的尺寸为：长度为24.5mm±0.25mm，宽度为13mm±0.25mm，厚度为0.8mm±0.25mm。左偶极子天线辐射贴片21和右偶极子天线辐射贴片22的结构尺寸如图1所示。在左偶极子天线辐射贴片21(即左偶极子臂)与右偶极子天线辐射贴片22(即右偶极子臂)的对称中心线上设有断开间隙A，断开间隙A的两侧设有天线馈电点。偶极子臂的宽度为0.5mm。

参见图2，基板1的另一面覆铜层为矩形阵列光子带隙结构。矩形阵列光子带隙结构设有3行3列共9片相同尺寸的矩形片31～39。每行设有3片矩形片，每列设有3片矩形片，行与行之间相互平行，列与列之间相互平行，每行中的各片矩形片之间相互平行，每列中的各片矩形片之间相互平行。每片矩形片的长度为2mm±0.25mm，宽度为2mm±0.25mm。每行中相邻两片矩形片的间距为1.5mm±0.25mm，每列中相邻两片矩形片的间距为1.5mm±0.25mm。矩形阵列光子带隙结构上边沿与基板1上边沿的距离为1mm±0.25mm，矩形阵列光子带隙结构下边沿与基板1下边沿的距离为1mm±0.25mm，矩形阵列光子带隙结构左边沿与基板1左边沿的距离为7.75mm±0.25mm，矩形阵列光子带隙结构右边沿与基板1右边沿的距离为7.75mm±0.25mm.。

参见图3，从图3可以看出，天线的工作频带覆盖了2.256～2.535GHZ和5.708～6.12GHZ，工作频带内的回波损耗都在-10dB以下，工作频带内的最小回波损耗为-21.06dB。天线回波损耗(S₁₁)性能在整个通频带内满足要求。2.4GHZ和5.8GHZ双频天线的绝对带宽分别为：0.28GHz和0.412GHz，其相对带宽分别为17％和6.96％，优于常规的微带天线，可完整覆盖RFID系统中的2.256～2.535GHZ和5.708～6.12GHZ的工作频段。

参见图4，天线有两个瓣，一个在305°～55°，另一个在125°～235°。两个瓣基本上覆盖了大部分角度，所以本发明具有全向辐射特性。

参见图5，天线主瓣在305°～55°。

将图4与图5对比可以看出，方向图上半部分的形状基本一致。

从以上实施例可以看出，本发明具有全向辐射特性，完全可达到了射频识别(RFID)系统对于天线的要求。

本发明的制造加工误差对天线特性的影响情况参见表1。

表1

注：1.表中数据已有一定冗余，各参数之间有一定关联性，给出的是均衡特性，可根据需求特殊设计；

2.需采用高性能微波低耗双面镀铜FR4基板，tgδ＜0.002。

3.表1中的英文所对应的中文说明如下：

Property：天线性能  Factor：影响因素

FR：谐振点LF：低频段(2.4GHZ)HF：高频段(5.8GHZ)AB：绝对带宽RB：相对带宽

DD：介质FR4尺寸：长24.5mm±0.5m宽13mm±0.5mm

DC：FR4基板相对介电常数5±0.2、基板厚度0.8mm、镀铜层厚度、初始单元线段长度、馈电点位置等误差控制在2％以内

PBGD：矩形阵列光子带隙结构的各个矩形金属片尺寸：长2mm±0.25mm，宽2mm±0.25mm

PBG-FR4：矩形阵列光子带隙结构上边沿与FR4基板上边沿的距离1mm±0.25mm，矩形阵列光子带隙结构下边沿与FR4基板下边沿的距离1mm±0.25mm，矩形阵列光子带隙结构左边沿与FR4基板左边沿的距离7.75mm±0.25mm，矩形阵列光子带隙结构右边沿与FR4基板右边沿的距离7.75mm±0.25mm

C：保证覆盖，不受影响

S11：≤2％：引起的波动不超过2％。优于-10dB

AB：≥0.412：优于0.412GHZ

RB：≥17％：优于17％

Claims (5)

1.双频镜像分形偶极子天线，其特征在于设有基板，基板的两面均覆有金属层，其中一面金属层为2对偶极子臂，2对偶极子臂为镜像对称设置，偶极子臂为二分之三分形曲线结构的分形偶极子天线辐射贴片，另一面金属层为矩形阵列光子带隙结构；

所述基板为绝缘阻燃基板，基板等级为FR4，基板的相对介电常数为5±25％；

所述偶极子臂为二分之三分形曲线结构的偶极子天线辐射贴片是偶极子臂为一阶的二分之三分形曲线结构的分形偶极子天线辐射贴片；

所述矩形阵列光子带隙结构设有3行3列共9片矩形片，每行设有3片矩形片，每列设有3片矩形片，行与行之间相互平行，列与列之间相互平行，每行中的各片矩形片之间相互平行，每列中的各片矩形片之间相互平行，矩形阵列光子带隙结构的各个矩形片的尺寸相同；

所述矩形阵列光子带隙结构的各个矩形片的尺寸相同，每片矩形片的长度为2mm±0.25mm，宽度为2mm±0.25mm，每行中相邻两片矩形片的间距为1.5mm±0.25mm，每列中相邻两片矩形片的间距为1.5mm±0.25mm，所述矩形阵列光子带隙结构的下边沿与基板下边沿的距离为1mm±0.25mm，所述矩形阵列光子带隙结构的左边沿与基板左边沿的距离为7.75mm±0.25mm，所述矩形阵列光子带隙结构的右边沿与基板右边沿的距离为7.75mm±0.25mm。

2.如权利要求1所述的双频镜像分形偶极子天线，其特征在于所述基板为环氧树脂基板，所述基板为矩形基板。

3.如权利要求2所述的双频镜像分形偶极子天线，其特征在于所述矩形基板的尺寸是24.5mm±0.25mm×13mm±0.25mm，厚度为0.8mm±0.25mm。

4.如权利要求1所述的双频镜像分形偶极子天线，其特征在于在2对偶极子臂的左右对称中心线上设有断开间隙，断开间隙的两侧设有天线馈电点。

5.如权利要求1所述的双频镜像分形偶极子天线，其特征在于所述金属层为铜层、金层、银层或铝层。

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