基于电子商务物流业务电子标签的双频分形天线研究

　　0 引言

　　电子商务作为一个新的业务形态正逐步成为商业的主流，电子商务企业开展业务过程中市场营销和推广活动面对的是全网用户，庞大的客户群会在活动的短时间内同时产生大量的物流需求。在2012年淘宝双11节的促销活动中，当日产生8 000多万单的快件，而目前我国整个物流行业单日运力之和仅有1 600万~2 000万单左右，没有更加科技化和自动化手段支持的物流系统无法满足电子商务物流业务的需求，无法有效支撑网络经济的发展。借助电子标签技术的现代化电子商务物流拣货系统需要逐步建设和推广。自动化的电子标签拣货系统一般包括主机、控制器、电子标签、系统软件、数据库、机械设备等，通过系统化的统一服务，可以大幅度地提高分拣效率，减少误捡率，从而提高电子商务物流的整体效率。

　　电子标签即射频识别(RFID)技术是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。与传统的自动识别系统如条形码相比，RFID技术具有很多优势：可以定向或不定向的远距离读取或写入数据，无需保持识别的目标可见，可以透过外部非屏蔽材料读取数据，可以在复杂环境下工作，可以同时处理多个电子标签，可以储存的信息量较大等等。天线是一种将无线电收发信机的射频功率信号以电磁波的形式接收或辐射出去的器件，天线所形成的电磁场强度和有效作用范围决定了RFID 系统的识别距离和范围，因此天线设计及制造技术是RFID的核心关键技术之一。

　　1 双频RFID系统对天线的要求

　　当前，国际上RFID 系统两个常用工作频段的频率范围分别为0.902~0.928 GHz 和2.4~2.483 5 GHz,其带宽要求分别为26 MHz和83.5 MHz.由于传统的天线只能工作在单一的频段范围内，应用传统天线的RFID 标签只能被工作在某一频率上的读写设备所读取，若更换不同频率的读写设备，则标签失效，这限制了RFID 系统的应用范围。而应用了双频天线的RFID 标签使问题变得简单，它可以被工作在两个频段的读写设备识别，具有良好的频率兼容性。现有的双频RFID天线两个工作频段的性能常出现不平衡，呈现“一主一从”的辐射特性，天线在两个工作频段的回波损耗和带宽有较大差异，限制了双频RFID天线的应用。

　　一款性能良好的双频RFID 天线，必须能够同时覆盖现代RFID系统两个常用工作频段：0.902~0.928 GHz和2.4~2.483 5 GHz,且在两个工作频段都有较好的性能，天线 的 回 波 损 耗 (S11) 值 在 两 个 工 作 频 带 内 都 应在-10 dB以下，低频段的回波损耗最小值应小于-20 dB,工作带宽应大于100 MHz;高频段的回波损耗最小值应小于-20 dB,工作带宽应大于200 MHz;天线在两个工作频段都应有全向辐射特性。

　　2 π型分形折叠结构简介

　　分形天线是把天线辐射结构设计为分形结构的天线，其整体与局部以及局部和局部之间都具有自相似性，多层次的自相似性使得分形天线上的射频电流得到均匀分布，因此天线具备宽频工作特性。

　　π型分形结构是一种线式分形结构，其迭代构造过程如下：将一条一定长度的直线段分为三段，分别在左右两段横向线段和中段横向线段间插入两段纵向线段，即构成一个1 阶π型折线。对1 阶π型分形折线的所有直线段依次进行π型分形折叠，则生成了2 阶π型分形折线，如图1所示。

　　3 阶双频π型分形折叠偶极子天线的设计与制作

　　在远距离耦合的RFID 应用系统中，最常用的是偶极子天线。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。为了缩小天线的尺寸，使之可以放进RFID 标签或读写器中，采用π型分形折叠技术对偶极子天线臂进行了改进设计。

　　在设计中，在一个偶极子天线的横向臂上添加两个折叠臂。折叠臂的形状为变形π型分形折叠结构，如图2所示。使用FR4介质板作为天线的介质基板。介质板厚度为h = 1.5 mm,相对介电常数εr = 3.7.天线的结构示意图如图3所示，天线尺寸为95 mm×40 mm.

　　在忽略天线粗细的横向影响下，偶极子天线设计可以取天线臂的长度为λ/4 的整数倍。在设计中，为了使偶极子天线有更大的带宽和更好的辐射特性，采用了全波偶极子天线的设计方案。偶极子天线臂需满足以下条件：

　　图3 所示的双频天线结构可以看作是两个分别工作在不同频段的折叠偶极子天线的叠加。根据式(1)可得，工作在0.902~0.928 GHz 频段的天线臂总长约为86 mm,由一个横向臂和三个折叠臂相融合而成，横向臂长度为18 mm,三个折叠臂的参数如图3(b)所示，且q1 =4 mm,q2 = 3mm,q3 =1.5 mm;工作在2.4~2.483 5 GHz频段的天线臂总长约为32 mm,由一个横向臂和两个折叠臂相融合而成，横向臂长度为4 mm,两个折叠臂的参数如图3(c)所示，且q1 = 2.5 mm,q2 = 1 mm.在设计过程中，在偶极子天线的下方添加了镜像补偿结构来改善天线性能，其尺寸结构与天线的馈电辐射臂完全一致。合理设置偶极子天线臂与镜像补偿结构之间的距离，可使镜像补偿结构上的电流与有源偶极子天线臂上的电流有相同或相近的相位。这时，空间任一点的场都是天线直接激发的场与镜像补偿结构激发的二次场的同相叠加，天线的辐射性能将得到较大的提高。

　　根据上文所述设计方案，用腐蚀工艺制板法制作出了天线样品，如图4所示。

　　用AV3619 系列射频一体化矢量网络分析仪测量了天线的回波损耗，测量结果如图5(a)所示，天线的低频段谐振频率在0.915 GHz处，谐振频率处的回波损耗S11 值(S11 最小值)为-16.40 dB,天线的工作带宽为0.274 GHz;天线的高频段谐振频率在2.415 GHz处，谐振频率处的回波损耗S11 值(S11 最小值)为-22.35 dB,天线的工作带宽为0.217 GHz.

　　搭建开放场区测试系统，测得天线在0.915 GHz和2.415 GHz时的方向图如图5(b)，图5(c)所示。天线低频段E面方向图有两个瓣，一个在310°~60°之间，另一个在130°~230°之间，低频段H面方向图全向覆盖;天线高频段E面方向图有两个瓣，一个在310°~75°之间，另一个在130°~250°之间;高频段H面方向图有两个瓣，一个在350°~100°之间，另一个在160°~270°之间。两个瓣基本上覆盖大部分角度，该天线在两个工作频段均具有全向辐射特性，但天线在高频段辐射强度不够均匀，有一定的方向性。

　　4 阶双频π型分形折叠偶极子天线的设计与制作

　　上节中设计的1阶双频π型分形折叠偶极子天线基本满足了设计要求，但在低频段回波损耗最小值偏高;在高频段辐射强度不够均匀，有一定的方向性，还需要进一步改进。构成天线臂的π型分形折叠是一种线分形结构，高阶的线分形结构具有更好的自相似特性，由其组成的天线将具备更好的性能。因此在设计改进型天线结构时，使用2阶π型分形折叠结构来设计天线的折叠臂。2阶π型分形折叠结构由一条直线段经过两次π型分形折叠变换得到，第一次变换得到如图2所示的变形π型分形折叠结构，再将其所有直线段依次迭代生成2阶π型分形折线结构。在设计中，使用FR4介质板作为天线的介质基板。介质板厚度为h = 1.5 mm,相对介电常数εr = 3.7 .天线尺寸为66 mm×45 mm.天线结构如图6所示。

　　天线整体可以看作是两个分别工作在不同频段的折叠偶极子天线的叠加。根据式(1)可得，工作在0.902~0.928 GHz 频段的天线臂总长约为86 mm,由一个横向臂和一个折叠臂相融合而成，横向臂长度为15.25 mm,折叠臂由一个原长度为21 mm的直线段经过两次π型分形折叠变换得到;工作在2.4~2.483 5 GHz频段的天线臂总长约为32 mm,由一个横向臂和一个折叠臂相融合而成，横向臂长度为3.25 mm,折叠臂由一个原长度为9 mm的直线段经过两次π型分形折叠变换得到。在设计过程中，依然在天线辐射臂下方添加了镜像补偿结构来改善天线性能。

　　根据上文所述设计方案，用腐蚀工艺制板法制作出了天线样品，如图7所示。

　　天线的回波损耗测量结果如图8(a)所示，天线的低频段谐振频率在0.90 GHz 处，谐振频率处的回波损耗S11 值(S11 最小值)为-21.42 dB,天线的工作带宽为0.204 GHz;天线的高频段谐振频率在2.43 GHz处，谐振频率处的回波损耗S11 值(S11 最小值)为-21.36 dB,天线的工作带宽为0.241 GHz.

　　测得天线在0.90 GHz 和2.43 GHz 时的方向图如图8(b)，图8(c)所示。天线低频段E 面方向图有两个瓣，一个在310°~50°之间，另一个在130°~240°之间，两个瓣基本上覆盖大部分角度，低频段H面方向图全向覆盖;天线高频段E面方向图有两个瓣，一个在310°~70°之间，另一个在110°~230°之间，两个瓣基本上覆盖大部分角度，高频段H面方向图全向覆盖。该天线在两个工作频段均具有全向辐射特性。

　　5 结论

　　本文针对电子商务物流系统电子标签的天线双频工作及各个工作频段性能平衡的要求，分别采用1阶π型分形折叠结构和2阶π型分形折叠结构，设计了两款能够双频带工作的分形天线，用腐蚀工艺制板法制作了天线样品，并对天线的回波损耗和方向图特性进行了测试。测试结果显示，两款天线的回波损耗 (S11)值在两个5 结论本文针对电子商务物流系统电子标签的天线双频工作及各个工作频段性能平衡的要求，分别采用1阶π型分形折叠结构和2阶π型分形折叠结构，设计了两款能够双频带工作的分形天线，用腐蚀工艺制板法制作了天线样品，并对天线的回波损耗和方向图特性进行了测试。

　　测试结果显示，两款天线的回波损耗 (S11)值在两个工作频带内都在-10 dB 以下，天线完全覆盖了0.902~0.928 GHz 和2.4~2.483 5 GHz 两个工作频段;两款天线低频段的工作带宽都大于100 MHz,高频段的工作带宽应都大于200 MHz;两款天线在两个工作频段都具有全向辐射特性。1阶π型分形天线在低频段由于制作公差造成了天线轻度失配，回波损耗最小值偏高;在高频段辐射强度不够均匀，有一定的方向性。作为改进设计的2阶π型分形天线解决了上述问题，在缩小天线尺寸的同时降低了天线低频段的回波损耗最小值，且使天线在高频段的辐射强度分布更加均匀，全向辐射特性更好。该款天线完全实现了设计要求，在两个工作频段都有较好的性能，且工作性能平衡。