電子商務(wù)物流業(yè)務(wù)電子標簽的雙頻分形天線分析

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】電子商務(wù)物流業(yè)務(wù)電子標簽的雙頻分形天線分析本文針對RFID系統(tǒng)雙頻工作的要求，設(shè)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(xiàn)代電子商務(wù)物流RFID系統(tǒng)常用的兩個工作頻段：0.902~0.928GHz和2.4~2.4835GHz,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。

0引言

電子商務(wù)作為一個新的業(yè)務(wù)形態(tài)正逐步成為商業(yè)的主流，電子商務(wù)企業(yè)開展業(yè)務(wù)過程中市場營銷和推廣活動面對的是全網(wǎng)用戶，龐大的客戶群會在活動的短時間內(nèi)同時產(chǎn)生大量的物流需求。在20**年淘寶雙11節(jié)的活動中，當(dāng)日產(chǎn)生8000多萬單的快件，而目前我國整個物流行業(yè)單日運力之和僅有1600萬~2000萬單左右，沒有更加科技化和自動化手段支持的物流系統(tǒng)無法滿足電子商務(wù)物流業(yè)務(wù)的需求，無法有效支撐網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟的發(fā)展。借助電子標簽技術(shù)的現(xiàn)代化電子商務(wù)物流揀貨系統(tǒng)需要逐步建設(shè)和推廣。自動化的電子標簽揀貨系統(tǒng)一般包括主機、控制器、電子標簽、系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫、機械設(shè)備等，通過系統(tǒng)化的統(tǒng)一服務(wù)，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(wù)物流的整體效率。

電子標簽即射頻識別（RFID）技術(shù)是20世紀90年代開始興起的一種用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)。與傳統(tǒng)的自動識別系統(tǒng)如條形碼相比，RFID技術(shù)具有很多優(yōu)勢：可以定向或不定向的遠距離讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，可以在復(fù)雜環(huán)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。天線是一種將無線電收發(fā)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(tǒng)的識別距離和范圍，因此天線設(shè)計及制造技術(shù)是RFID的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1雙頻RFID系統(tǒng)對天線的要求

當(dāng)前，國際上RFID系統(tǒng)兩個常用工作頻段的頻率范圍分別為0.902~0.928GHz和2.4~2.4835GHz,其帶寬要求分別為26MHz和83.5MHz.由于傳統(tǒng)的天線只能工作在單一的頻段范圍內(nèi)，應(yīng)用傳統(tǒng)天線的RFID標簽只能被工作在某一頻率上的讀寫設(shè)備所讀取，若更換不同頻率的讀寫設(shè)備，則標簽失效，這限制了RFID系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。而應(yīng)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(shè)備識別，具有良好的頻率兼容性?，F(xiàn)有的雙頻RFID天線兩個工作頻段的性能常出現(xiàn)不平衡，呈現(xiàn)“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(yīng)用。

一款性能良好的雙頻RFID天線，必須能夠同時覆蓋現(xiàn)代RFID系統(tǒng)兩個常用工作頻段：0.902~0.928GHz和2.4~2.4835GHz,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(nèi)都應(yīng)在-10dB以下，低頻段的回波損耗值應(yīng)小于-20dB,工作帶寬應(yīng)大于100MHz;高頻段的回波損耗值應(yīng)小于-20dB,工作帶寬應(yīng)大于200MHz;天線在兩個工作頻段都應(yīng)有全向輻射特性。

2π型分形折疊構(gòu)造簡介

分形天線是把天線輻射構(gòu)造設(shè)計為分形構(gòu)造的天線，其整體與局部以及局部和局部之間都具有自相似性，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型分形構(gòu)造是一種線式分形構(gòu)造，其迭代構(gòu)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(gòu)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開展π型分形折疊，則生成了2階π型分形折線，如圖1所示。

31階雙頻π型分形折疊偶極子天線的設(shè)計與制作

在遠距離耦合的RFID應(yīng)用系統(tǒng)中，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(dǎo)線排成一條直線構(gòu)成。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(shù)對偶極子天線臂開展了改良設(shè)計。

在設(shè)計中，在一個偶極子天線的橫向臂上添加兩個折疊臂。折疊臂的形狀為變形π型分形折疊構(gòu)造，如圖2所示。使用FR4介質(zhì)板作為天線的介質(zhì)基板。介質(zhì)板厚度為h=1.5mm,相對介電常數(shù)εr=3.7.天線的構(gòu)造示意圖如圖3所示，天線尺寸為95mm×40mm.

在忽略天線粗細的橫向影響下，偶極子天線設(shè)計可以取天線臂的長度為λ/4的整數(shù)倍。在設(shè)計中，為了使偶極子天線有更大的帶寬和更好的輻射特性，采用了全波偶極子天線的設(shè)計方案。偶極子天線臂需滿足以下條件：

圖3所示的雙頻天線構(gòu)造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(jù)式（1）可得，工作在0.902~0.928GHz頻段的天線臂總長約為86mm,由一個橫向臂和三個折疊臂相融合而成，橫向臂長度為18mm,三個折疊臂的參數(shù)如圖3（b）所示，且q1=4mm,q2=3mm,q3=1.5mm;工作在2.4~2.4835GHz頻段的天線臂總長約為32mm,由一個橫向臂和兩個折疊臂相融合而成，橫向臂長度為4mm,兩個折疊臂的參數(shù)如圖3（c）所示，且q1=2.5mm,q2=1mm.在設(shè)計過程中，在偶極子天線的下方添加了鏡像補償構(gòu)造來改善天線性能，其尺寸構(gòu)造與天線的饋電輻射臂完全一致。合理設(shè)置偶極子天線臂與鏡像補償構(gòu)造之間的距離，可使鏡像補償構(gòu)造上的電流與有源偶極子天線臂上的電流有相同或相近的相位。這時，空間任一點的場都是天線直接激發(fā)的場與鏡像補償構(gòu)造激發(fā)的二次場的同相疊加，天線的輻射性能將得到較大的提高。

根據(jù)上文所述設(shè)計方案，用腐蝕工藝制板法制作出了天線樣品，如圖4所示。

用AV3619系列射頻一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量了天線的回波損耗，測量結(jié)果如圖5（a）所示，天線的低頻段諧振頻率在0.915GHz處，諧振頻率處的回波損耗S11值（S11值）為-16.40dB,天線的工作帶寬為0.274GHz;天線的高頻段諧振頻率在2.415GHz處，諧振頻率處的回波損耗S11值（S11值）為-22.35dB,天線的工作帶寬為0.217GHz.

搭建開放場區(qū)測試系統(tǒng)，測得天線在0.915GHz和2.415GHz時的方向圖如圖5（b），圖5（c）所示。天線低頻段E面方向圖有兩個瓣，一個在310°~60°之間，另一個在130°~230°之間，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°~75°之間，另一個在130°~250°之間；高頻段H面方向圖有兩個瓣，一個在350°~100°之間，另一個在160°~270°之間。兩個瓣基本上覆蓋大部分角度，該天線在兩個工作頻段均具有全向輻射特性，但天線在高頻段輻射強度不夠均勻，有一定的方向性。

42階雙頻π型分形折疊偶極子天線的設(shè)計與制作

上節(jié)中設(shè)計的1階雙頻π型分形折疊偶極子天線基本滿足了設(shè)計要求，但在低頻段回波損耗值偏高；在高頻段輻射強度不夠均勻，有一定的方向性，還需要進一步改良。構(gòu)成天線臂的π型分形折疊是一種線分形構(gòu)造，高階的線分形構(gòu)造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(shè)計改良型天線構(gòu)造時，使用2階π型分形折疊構(gòu)造來設(shè)計天線的折疊臂。2階π型分形折疊構(gòu)造由一條直線段經(jīng)過兩次π型分形折疊變換得到，次變換得到如圖2所示的變形π型分形折疊構(gòu)造，再將其所有直線段依次迭代生成2階π型分形折線構(gòu)造。在設(shè)計中，使用FR4介質(zhì)板作為天線的介質(zhì)基板。介質(zhì)板厚度為h=1.5mm,相對介電常數(shù)εr=3.7.天線尺寸為66mm×45mm.天線構(gòu)造如圖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(jù)式（1）可得，工作在0.902~0.928GHz頻段的天線臂總長約為86mm,由一個橫向臂和一個折疊臂相融合而成，橫向臂長度為15.25mm,折疊臂由一個原長度為21mm的直線段經(jīng)過兩次π型分形折疊變換得到；工作在2.4~2.4835GHz頻段的天線臂總長約為32mm,由一個橫向臂和一個折疊臂相融合而成，橫向臂長度為3.25mm,折疊臂由一個原長度為9mm的直線段經(jīng)過兩次π型分形折疊變換得到。在設(shè)計過程中，依然在天線輻射臂下方添加了鏡像補償構(gòu)造來改善天線性能。

根據(jù)上文所述設(shè)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(jié)果如圖8（a）所示，天線的低頻段諧振頻率在0.90GHz處，諧振頻率處的回波損耗S11值（S11值）為-21.42dB,天線的工作帶寬為0.204GHz;天線的高頻段諧振頻率在2.43GHz處，諧振頻率處的回波損耗S11值（S11值）為-21.36dB,天線的工作帶寬為0.241GHz.

測得天線在0.90GHz和2.43GHz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(jié)論

本文針對電子商務(wù)物流系統(tǒng)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型分形折疊構(gòu)造和2階π型分形折疊構(gòu)造，設(shè)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開展了測試。測試結(jié)果顯示，兩款天線的回波損耗（S11）值在兩個5結(jié)論本文針對電子商務(wù)物流系統(tǒng)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型分形折疊構(gòu)造和2階π型分形折疊構(gòu)造，設(shè)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開展了測試。

測試結(jié)果顯示，兩款天線的回波損耗（S11）值在兩個工作頻帶內(nèi)都在-10dB以下，天線完全覆蓋了0.902~0.928GHz和2.4~2.4835GHz兩個工作頻段；兩款天線低頻段的工作帶寬都大于1