專利名稱：：雙頻鏡像分形偶極子天線的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種偶極子天線，尤其是涉及一種雙頻鏡像分形偶極子天線。
背景技術：
：射頻識別技術(RadioFrequencyIdentification,縮寫為RFID)是20世紀90年代開始興起的一種用射頻通信實現的非接觸式自動識別技術。RFID標簽具有體積小、容量大、壽命長、可重復使用等特點，可支持快速讀寫、非可視識別、移動識別、多目標識別、定位及長期跟蹤管理等，將此技術與互聯網、通訊等技術相結合，用于物流、制造、公共信息服務等行業，可實現高效管理與運作，降低成本。隨著安全軟信息相關技術的不斷完善和成熟，RFID系列產業將成為一個新興的高技術產業群，成為國民經濟新的增長點，對提升社會信息化水平、促進經濟可持續發展、提高人民生活質量、增強公共安全與國防安全等方面都將產生深遠的影響，并具有重大的戰略性意義。天線設計及制造技術是射頻識別技術的核心關鍵技術之一，天線的各項特性及形態大小，極大程度地影響了射頻識別系統的工作性能及應用領域，隨著RFID技術系列應用的飛速發展，人們對RFID天線在寬帶化、小型化、寬標定無適應性、抗破壞性、多頻段多網絡兼容性等方面提出了更高的要求。天線在RFID系統中具有舉足輕重的地位，對其進行深入的研究具有重要的參考價值和實用意義。在遠距離耦合RFID應用系統中，最常用的是偶極子天線(又稱對稱振子天線)。典型的偶極子天線由兩段同樣粗細和等長的直導線排成一條直線構成，信號從中間的兩個端點饋入，在偶極子的兩臂上將產生一定的電流分布，這種電流分布就在天線周圍空間激發起電磁場。當單個振子臂的長度Z-^時(半波振子)，輸入阻抗的電抗分量為零，天線輸入阻抗可視為一個純電阻。在忽略天線粗細的橫向影響下，偶極子天線設計可以取振子的長度￡=%的整數倍。20世紀70年代，法國數學家B.B.Mandelbrot在總結了自然界中非規則幾何圖形后，第一次提出了分形這個概念，認為分形幾何學可以處理自然界中那些極小規則的構型，指出分形幾何將成為研究許多物理現象的有力工具。到了20世紀80年代，關于波與分形結構相互作用的研究促進了分形電動力學的發展，而分形天線正是分形電動力學的眾多應用之一。它能夠使得我們有效地設計小型化天線或把多個無線電通信元件集成到一塊組件上。分形幾何是通過迭代產生的具有自相似特性的幾何結構，它的整體與局部之間以及局部與局部之間都具有自相似性，天線的分形設計是電磁理論與分形幾何學的融合。研究發現，與傳統天線相比，分形天線具有小型化、寬頻帶、多頻工作、高輻射電阻、自加載等優點，能夠很好地滿足RFID系統對天線的要求。射頻識別系統的典型工作頻段有902928MHz，2.45GHz，5.8GHz。二分之三分形曲線(3/2curve)結構的天線是一種典型的分形天線。S.Sadat等人曾將這種形狀的分形結構用于微帶天線的設計，獲得了良好的天線性能.尤啟迪以及趙波等在各論文中也對二分之三分形曲線G/2curve)作了基本介紹。分形結構的初始元為一條線段，將其四等分，將第二段和第三段分別向上向下移動與第一段等長距離，然后兩邊均用垂直線連接第一段和第四段，即構成一階分形結構。將一階分形結構的各條線段繼續四等分，重復一階的分法，得到二階二分之三curve分形結構。按此迭代，可生成各高階分形結構。二分之三分形曲線(3/2curve)結構的分形天線具有良好的寬頻帶特性，在微帶天線中獲得很好應用。此外，它還有助于改善輻射方向圖和減小交叉極化。對于目前的RFID天線，常規的微帶天線尺寸明顯過大，且存在工作帶寬小等缺點，即便通過插入短路針、使用饋電環路等技術來進行改進，效果仍不理想。偶極子天線不僅具有尺寸小、輻射能力強、制造工藝簡單、成本低等特點，而且具有全向輻射特性，能夠滿足RFID應用系統中對天線的具體要求。光子帶隙(PBG，PhotonicBand-Gap)結構由一種介質材料在另一種介質材料中周期分布所組成。這種結構可以通過縮放尺寸關系應用于很寬的頻率范圍，因此近幾年來微波與毫米波領域的PBG結構應用越來越引起人們的關注。在PBG結構中,電磁波經周期性介質散射后，某些波段電磁波強度會因破壞性干涉而呈指數衰減，無法在該結構中傳播，于是在頻譜上形成帶隙。PBG結構在微波領域，特別是微波電路和天線領域中有著巨大的應用價值，現己被廣泛地應用到微波、毫米波波段的電路與器件的設計中。合理應用光子帶隙結構能夠改善天線的輻射特性，展寬天線的工作帶寬。湯偉等人在印刷偶極子天線的設計中添加鏡像補償結構，實驗證明鏡像結構能很好的改善天線的回波損耗，并在一定程度上擴展天線的工作帶寬。目前，把二分之三curve分形貼片、應用鏡像結構，以及光子帶隙結構結合起來制作雙頻偶極子天線，并應用在RFID系統中的2.4GHZ和5.8GHZ工作頻段的相關技術未見報道。湯偉等([6]湯偉，林斌，周建華，游佰強.一種小型化RFID標簽天線的仿真設計.廈門大學學報(自然科學版)，2008，47:50-54)報道了一種小型化RFID標簽天線的仿真設計。黃龍海等([7]黃龍海，傅佳晨，陳浩，游佰強.光子帶隙微帶天線的分析與設計.集美大學學報(自然科學版)，2007，12(1):33-37)報道了一種光子帶隙微帶天線的分析與設計。陳浩等([8]陳浩、游佰強，藍牙微帶天線的設計和仿真，廈門大學學報(自然科學版)，2005,44(增刊)，307-311)報道了一種藍牙微帶天線的設計和仿真。
發明內容本發明的目的在于提供一種尺寸小、帶寬大、回波損耗較低，且具有全向輻射特性的雙頻鏡像分形偶極子天線。本發明設計的雙頻段覆蓋常用頻段為2.2562.535GHz和5.7086.12GHz。本發明設有基板，基板的兩面均覆有金屬層，其中一面金屬層為2對偶極子臂，2對偶極子臂鏡像對稱設置，偶極子臂為二分之三分形曲線結構(3/2curve)的偶極子天線輻射貼片，另一面金屬層為矩形陣列光子帶隙結構。所述基板最好為絕緣阻燃基板，基板等級優選FR4，可優選環氧樹脂基板，基板的相對介電常數最好為5±25%。基板最好為矩形基板，所述矩形基板的尺寸最好是長度為24.5mrn士0.25mm，寬度為13mm±0.25mm，厚度為0.8mm士0.25mm。光子帶隙雙頻鏡像分形偶極子天線輻射貼片由2對左右對稱的偶極子天線輻射貼片構成，在2對偶極子天線輻射貼片的左右對稱中心線上設有斷開間隙，斷開間隙的兩側設有天線饋電點。2對偶極子天線輻射貼片呈左右鏡像結構及上下鏡像結構。矩形陣列光子帶隙結構最好設有3行3列共9片矩形片，每行設有3片矩形片，每列設有3片矩形片，行與行之間相互平行，列與列之間相互平行，每行中的各片矩形片之間相互平行，每列中的各片矩形片之間相互平行。矩形陣列光子帶隙結構的各個矩形片的尺寸相同。每片矩形片的長度為2mm±0.25mm，寬度為2mm±0.25mm。每行中相鄰兩片矩形片的間距為1.5mm±0.25mm，每列中相鄰兩片矩形片的間距為1.5mm±0.25mm。矩形陣列光子帶隙結構下邊沿與基板下邊沿的距離為lmm±0.25mm，矩形陣列光子帶隙結構左邊沿與基板左邊沿的距離為7.75mm±0.25mm，矩形陣列光子帶隙結構右邊沿與基板右邊沿的距離為7.75mm±0.25mm。與用于射頻識別(RFID)系統的常規微帶天線比較，本發明具有以下突出的優點和顯著的效果由于采用上述結構，本發明具有雙頻工作頻帶，即2.4G頻段和5.8G頻段，2.4G頻段為2.2562.535GHz，絕對帶寬0.28GHz,相對帶寬17%;5.8G頻段為5.7086.12GHz，絕對帶寬0.412GHz，相對帶寬6.96%。天線尺寸為常規微帶天線尺寸的10%。由此可見，本發明具有尺寸小、帶寬大、輻射特性好的特點，可達到小型化RFID天線的目的，完全可以將其放在RFID標簽或讀寫器里。本發明還具有結構簡單、制造工藝簡單、成本低、全向輻射性能佳和易于集成等突出優點，能夠滿足RFID應用系統中對天線的具體要求。圖1為本發明實施例的基板和2對鏡像對稱的偶極子臂的結構示意圖。圖2為本發明實施例的基板和矩形陣列光子帶隙的結構示意圖。圖3為本發明實施例的回波損耗(Sn)性能圖。圖3中的橫坐標表示頻率Frequency(GHz)，縱坐標表示回波損耗強度Thereturnloss.oftheantenna,。圖4為本發明實施例的H面方向圖。在圖4中的坐標為極坐標。圖5為本發明實施例的E面方向圖。在圖5中的坐標為極坐標。具體實施例方式以下結合實施例和附圖對本發明作進一步說明。參見圖l，本發明設有雙面覆銅的環氧樹脂基板1，基板1為FR4基板，其中一面覆銅層為2對相同呈鏡像對稱的偶極子臂，即左偶極子天線輻射貼片21和右偶極子天線輻射貼片22。偶極子臂結構為一階的二分之三分形曲線G/2curve)結構。基板1的尺寸為長度為24.5mm士0.25mm，寬度為13mm士0.25mm，厚度為0.8mm±0.25mm。左偶極子天線輻射貼片21和右偶極子天線輻射貼片22的結構尺寸如圖1所示。在左偶極子天線輻射貼片21(即左偶極子臂)與右偶極子天線輻射貼片22(即右偶極子臂)的對稱中心線上設有斷開間隙A，斷開間隙A的兩側設有天線饋電點。偶極子臂的寬度為0.5mm。參見圖2，基板1的另一面覆銅層為矩形陣列光子帶隙結構。矩形陣列光子帶隙結構設有3行3列共9片相同尺寸的矩形片3139。每行設有3片矩形片，每列設有3片矩形片，行與行之間相互平行，列與列之間相互平行，每行中的各片矩形片之間相互平行，每列中的各片矩形片之間相互平行。每片矩形片的長度為2mm士0.25mm，寬度為2mm士0.25mm。每行中相鄰兩片矩形片的間距為1.5mm±0.25mm，每列中相鄰兩片矩形片的間距為1.5mm±0.25mm。矩形陣列光子帶隙結構上邊沿與基板1上邊沿的距離為lmm±0.25mm，矩形陣列光子帶隙結構下邊沿與基板1下邊沿的距離為lmm±0.25mm，矩形陣列光子帶隙結構左邊沿與基板1左邊沿的距離為7.75mm±0.25mm，矩形陣列光子帶結構右邊沿與基板1右邊沿的距離為7.75mm±0.25mm.。參見圖3，從圖3可以看出，天線的工作頻帶覆蓋了2.2562.535GHZ和5.7086.12GHZ，工作頻帶內的回波損耗都在-10dB以下，工作頻帶內的最小回波損耗為一21.06dB。天線回波損耗(Sn)性能在整個通頻帶內滿足要求。2.4GHZ和5.8GHZ雙頻天線的絕對帶寬分別為0.28GHz禾tl0.412GHz，其相對帶寬分別為17%和6.96%，優于常規的微帶天線，可完整覆蓋RFID系統中的2.2562.535GHZ和5.7086.12GHZ的工作頻段。參見圖4，天線有兩個瓣，一個在305°55°，另一個在125°235°。兩個瓣基本上覆蓋了大部分角度，所以本發明具有全向輻射特性。參見圖5，天線主瓣在305。55。。將圖4與圖5對比可以看出，方向圖上半部分的形狀基本一致。從以上實施例可以看出，本發明具有全向輻射特性，完全可達到了射頻識別(RFID)系統對于天線的要求。本發明的制造加工誤差對天線特性的影響情況參見表1。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>注1.表中數據已有一定冗余，各參數之間有一定關聯性，給出的是均衡特性，可根據需求特殊設計；2.需采用高性能微波低耗雙面鍍銅FR4基板，tgS<0.002。3.表l中的英文所對應的中文說明如下Property:天線性能Factor:影響因素FR:諧振點LF:低頻段(2.4GHZ)HF:高頻段(5.8GHZ)AB:絕對帶寬RB:相對帶寬DD:介質FR4尺寸長24.5mm士0.5m寬13mm±0.5mmDC:FR4基板相對介電常數5i0.2、基板厚度0.8mm、鍍銅層厚度、初始單元線段長度、饋電點位置等誤差控制在2%以內PBGD:矩形陣列光子帶隙結構的各個矩形金屬片尺寸長2mm士0.25mm，寬2mm士0.25mmPBG-FR4:矩形陣列光子帶隙結構上邊沿與FR4基板上邊沿的距離lmm±0.25mm，矩形陣列光子帶隙結構下邊沿與FR4基板下邊沿的距離lmm±0.25mm，矩形陣列光子帶隙結構左邊沿與FR4基板左邊沿的距離7.75mm±0.25mm，矩形陣列光子帶隙結構右邊沿與FR4基板右邊沿的距離7.75mm±0.25mmC:保證覆蓋，不受影響Sll:《2%:引起的波動不超過2%。優于墨10dBAB:》0.412:優于0.412GHZRB:》17%:優于17%。權利要求1、雙頻鏡像分形偶極子天線，其特征在于設有基板，基板的兩面均覆有金屬層，其中一面金屬層為2對偶極子臂，2對偶極子臂為鏡像對稱設置，偶極子臂為二分之三分形曲線結構的分形偶極子天線輻射貼片，另一面金屬層為矩形陣列光子帶隙結構。2、如權利要求l所述的雙頻鏡像分形偶極子天線，其特征在于基板為絕緣阻燃基板，基板等級為FR4，基板的相對介電常數為5±25%。3、如權利要求1或2所述的雙頻鏡像分形偶極子天線，其特征在于基板可優選環氧樹脂基板，基板的形狀為矩形，矩形基板的尺寸最好是24.5mm±0.25mmX13mm±0.25mm，厚度為0.8mm士0.25腿。4、如權利要求l所述的雙頻鏡像分形偶極子天線，其特征在于在2對偶極子臂的左右對稱中心線上設有斷開間隙，斷開間隙的兩側設有天線饋電點。5、如權利要求l所述的雙頻鏡像分形偶極子天線，其特征在于所述偶極子臂為二分之三分形曲線結構的偶極子天線輻射貼片是偶極子臂為一階的二分之三分形曲線結構的分形偶極子天線輻射貼片。6、如權利要求1所述的雙頻鏡像分形偶極子天線，其特征在于所述矩形陣列光子帶隙結構設有3行3列共9片矩形片，每行設有3片矩形片，每列設有3片矩形片，行與行之間相互平行，列與列之間相互平行，每行中的各片矩形片之間相互平行，每列中的各片矩形片之間相互平行，矩形陣列光子帶隙結構的各個矩形片的尺寸相同。7、如權利要求6所述的雙頻鏡像分形偶極子天線，其特征在于所述矩形陣列光子帶隙結構的各個矩形片的尺寸相同，每片矩形片的長度為2mm±0.25mm，寬度為2mm士0.25mm，每行中相鄰兩片矩形片的間距為1.5mm±0.25mm，每列中相鄰兩片矩形片的間距為1.5mm±0.25mm，所述矩形陣列光子帶隙結構的下邊沿與基板下邊沿的距離為lmm±0.25mm，所述矩形陣列光子帶隙結構的左邊沿與基板左邊沿的距離為7.75mm±0.25mm，所述矩形陣列光子帶隙結構的右邊沿與基板右邊沿的距離為7.75mm士0.25mm。8、如權利要求1所述的雙頻鏡像分形偶極子天線，其特征在于所述金屬層為銅層、金層、銀層或鋁層。全文摘要雙頻鏡像分形偶極子天線，涉及一種偶極子天線。提供一種尺寸小、帶寬大、回波損耗較低，且具有全向輻射特性的雙頻鏡像分形偶極子天線。設有基板，基板的兩面均覆有金屬層，其中一面金屬層為2對偶極子臂，2對偶極子臂鏡像對稱設置，偶極子臂為二分之三分形曲線結構(3/2curve)的偶極子天線輻射貼片，另一面金屬層為矩形陣列光子帶隙結構。具有尺寸小、帶寬大、輻射特性好的特點，可達到小型化RFID天線的目的，完全可以將其放在RFID標簽或讀寫器里。還具有結構簡單、制造工藝簡單、成本低、全向輻射性能佳和易于集成等突出優點，能夠滿足RFID應用系統中對天線的具體要求。文檔編號H01Q1/38GK101656352SQ200910112589公開日2010年2月24日申請日期2009年9月25日優先權日2009年9月25日發明者周建華,青枊,斌林,游佰強,勇羅,胡秀麗,黃李琳申請人:廈門大學