專利名稱：三頻Koch分形環鏡像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，尤其是涉及一種帶鏡像結構和對稱Koch分形環以 及彎折結構的三頻Koch分形環鏡像偶極子天線。
背景技術：
自1937年，RFID技術被美國海軍研究試驗室(U. S. Naval Research Laboratory(NRL))開發用于識別盟軍的飛機以來，RFID技術已經廣泛用于物流方面。甲骨 文、SAP、IBM等全球100家Wal-Mart百貨最大的供貨商正式宣布，到2005年底止，所有供 應Wal-Mart百貨的商品裝箱上，都要有應用RFID技術的電子商品標簽，從而引發全球針對 零售業物流管理實施RFID技術應用研究的新高潮。2007年3月，由美國、德國、意大利、中國、韓國等近20家研究機構在EPC Global 框架之外成立了 The Global RF Lab Alliance (GRFLA)，以推動RFID技術在物流供應鏈以 及更多的領域中成功應用。隨著中國加入WT0，國內市場和國外市場結合為國際市場，隨著國際RFID技術關 于物流應用的潮流的掀起，在國內，RFID技術也被大量應用于物流以及運輸。2007年，中國 第二代居民身份證使用RFID技術。2008年，北京奧運會電子門票和奧運食品供應鏈應用了 RFID技術。2010年5月，上海世博會的門票系統將全部采用RFID技術，每張門票內都含有 一顆自主知識產權“世博芯”，通過采用特定的密碼算法技術，確保數據在傳輸過程中的安 全性。此外，政府開始積極推動如郵政、海關、危險品管理、藥品管理、物流等各種試點工作 的。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。移動通信的起源可追溯至1897年馬可尼所完成的無線通信的試驗，其發展始于 20世紀20年代在幾個短波頻段上開發出專用移動通信系統。70年代，貝爾試驗室在提出 的蜂窩網的概念上研制成功了先進移動電話系統(AMPS)，建成了蜂窩狀移動通信網，即第 一代通信系統，并于80年代在美國投入使用。以AMPS和TACS為代表的第一代蜂窩移動通 信網是模擬系統，雖然模擬蜂窩網雖然取得了很大成功，但是其頻譜利用率低，移動設備復 雜，費用較貴，業務種類受限制以及通話易被竊聽，并且其容量已不能滿足日益增長的移動 用戶需求。基于這些問題，80年代中期，歐洲首先推出了泛歐數字移動通信網(GSM)的體 系。隨后，美國和日本也制定了各自的數字移動通信體制。隨著移動通信技術的迅速發展， 系統的小型化、高集成度和高性能化已日益成為當前研究的熱點，而且，隨著通訊業務的擴 展，移動通信的頻段也從以前的SM(880 960MHz)頻段擴展到DCS (1710 1880Ν111ζ)以 及 PCS (1850 1990MHz)段，以至最近 3G 業務頻段(WCDMA、TD-SCDMA, CDMA2000)，除此之 外還有廣泛應用的藍牙、無線局域網頻段等等。無論是對于RFID技術還是移動通信技術，天線作為無線通系統中的重要部件之一，其性能的好壞直接關系到系統的通信質量。對于RFID技術而言，尤其是應用于物流的 RFID技術，人們對RFID天線在寬帶化、小型化、全向性等方面提出了更高的要求。對于移 動通信而言，尤其是個人通信系統的發展，要求通信系統天線具備小型、多頻以及全向等特 點。天線在通信系統中具有舉足輕重的地位，天線的各項特性極大程度地影響了通信系統 的工作性能及應用領域和范圍因此，因此，天線的研究具有很大的實際意義。在龐大的天線家族中，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L= λ/4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L= λ/4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([1]B. B. Mandelbrot. "The Fractal Geometry of Nature，，. New York, Freeman, 1982，. 20-113)。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902 928MHz，2. 45GHz，5. 8GHz。移動通信常用 的頻段有880 960MHz)，1710 1880MHz, 1800 2200MHz。Koch分形結構的天線是一種典型的分形天線，它由瑞典數學家Helge von Koch 在1904年發提出。隨著分形被用于天線設計，而在眾多分形結構中，Koch分形曲線是 最常用于天線設計的結構之一。Puente 等([2]C. Puente，J. Romeu, R. Pous, J. Ramis, A. Hijazo. Smallbut long koehr factal monopole[J], Electronics Letters,1998, 34(1) 9-10 ； [3]C. Puente, J.Romeu, R. Pous, A.Cardma. The koch monopole :Α smallr factal antenna [J]. IEEETransactions on Antennasand Propagation, 2000,48(11)) M^ 討論了 Koch曲線應用于天線設計的有關特性，Koch偶極子隨著迭代次數的增加，輻射電阻 增加，諧振頻率逐漸減小，并趨于某一有限值。當保持偶極子天線的諧振頻率不變時，Koch 曲線的高度減小，隨著迭代次數的增加，天線高度趨于有限值，長度卻無線增長，這種設計 有利于天線的小型化。Koch分形結構的初始元為一條線段，將其三等分，將第二段由與之成 等邊三角形的兩段線段代替，即構成一階分形結構。將一階分形結構的各條線段重復一階 的分法，得到二階Koch分形結構。按此迭代，可生成各高階分形結構。Koch分形環結構在天線結構設計方面也有研究，文獻([4] A. S. Andrenko, “ ConformalFractal Loop Antennas for RFID Tag Applications" ,IEEE AppliedElectromagnetics andCommunications, ICECom. International Conference, Oct. 2005. Page (s) :1_6)設計了基于Koch分形和Hilbert分形的改進型環天線，其工作于 應用于RFID標簽天線的953MHz。
文獻([5] Rao Hanumantha Patnam. Broadband CPff-Fed Planar Koch Fractal loop antenna. IEEE antennas and wireless propagation letters. Vol. 7 :429-431, 2008)設計了一款帶有阻抗匹配結構的寬帶Koch分形環天線，其工作頻率范為1.26 1. 52GHz。文 獻([6] Salama A. M. A, Quboa K. M. . A New Fractal Loop Antenna For Passive UHFRFIDTags Applications. Information and Communication Technologies From Theory toApplications, 3rd International Conference on Digital Object Identifier, 2008)在標準二階Koch分形環結構的基礎上，設計了一款工作頻率為900MHz 的改進型Koch分形環天線。隨著通信向小型化發展的趨勢，天線的尺寸縮減問題是RFID必需面臨面對的問 題之一，在當前RFID標簽天線的設計結構中，彎折型結構是常用于天線尺寸縮減的結構之一。2003 年，G. Marrocco 等([6] Salama A.M. A，Quboa KiA New Fractal Loop Antenna ForPassive UHF RFIDTags Applications. Information and Communication Technologies :FromTheory to Applications，3rd International Conference on Digital Object Identifier，2008)以及文獻([7]Gaetano Marrocco，Alessandro Fonte， Fernando Bardati.Evolutionary design of miniaturizedmeander-1ine antennas for RFID applications[J]IEEE Trans. Antennas and Propagation,2002, 362-365 ； [8]TJ. Warnagiris and T. J. Minardo. Performance of a meandered line as electricallysmall transmitting antenna [J]. IEEE Trans. Antennas Propagat,1998， 46 1797-1876 ； [9]B YangiQFeng. A folded Dipole Antenna for RFID Tag[Z]. Microwave md Millimeter WaveTechnology. 2008)較為詳細的論述了彎折偶極子天線特性隨著不同 彎折程度的變化規律。2004 年，M-Keskilammi 等([10]M. Keskilammi and Μ. Kivikoski，Using Text as a MeanderLine for RFID Transponder Antennas[J]IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2004，Vol.3 :372_374)別出心裁地應用彎折型結構，設計了大小為 大約為 13. 5cmX2. 5cm 字母型天線。2006 年，S. Basat 和 Μ· M. Tentzeris 等([11] S. Basat， Μ. M. Tentzeris,and J. Laskar,Design anddevelopment of a miniaturized embedded UHF RFID tag for automotive tire applications in Proc. IEEE International Workshop on Antenna Technology, SmalIAntennas, and Novel Metamaterials，2006，160-163)應用 彎折結構設計了三款尺寸約為7cmX3cm.，工作頻率為915MHz的RFID標天線。2009 年，M. Abu and Μ· K. A. Rahim 等([12]M.Abu and Μ. K. A. Rahim. Triple-band printeddipole tag antenna for RFID[J]· Progress in Electromagnetics Research C, 2009, Vol.9 145-153)應用彎折型結構，設計了一款三頻帶天線，分別工作在0. 92GHz, 2.46他，5.86他，天線尺寸為145讓\20讓。Benjamin D 等([13]Benjamin D, Braatenl, Robert P.Design of PassiveUHF RFID Tag Antennas Using Metamaterial—Based Structures and Techniques[J]. RadioFrequency Identification Fundamentals and Applications, 2010, 55-68)設計了應用于閱讀器的彎折型天線，工作頻率范圍為860 920MHz，尺寸為47. 13mmX 14. 81mm，讀取距離為4. 87m，通過彎折結構，跟同樣頻率結構的普通偶極子天線相比，尺寸減少將近20 %。雙錐天線最早由Schelkimoff提出并作為研究天線輻射特性的模型，由于具有良 好的寬頻帶特性而得到了廣泛的研究與應用。雙圓錐天線是由共軸線的兩個圓錐導體面， 且其兩頂端相對而構成的天線，相對頂端的間隙處作為饋電點。雙錐型結構天線可以看作 是傳統偶極子天線的變形當偶極子天線的兩臂的半徑光滑地逐漸變大時，便形成了雙錐 天線的雛形。而又由于理想的無線長的雙錐天線的輸入阻抗就等于天線的特性阻抗，這時 天線電特性就與頻率無關。在實際設計中，由于雙錐結構的天線的阻抗隨著頻率的變化較小，導致雙錐類型 天線的阻抗帶寬變化不劇烈，在此基礎上合理的設計天線，可以獲得較寬的天線帶寬([14] G H Brownand D M Woodward,ExperimentalIy DeterminedRadiation Characteristics of Conical andTriangular Antennas，RCA Review, Vol 13，No 4，Dec，pp :425_452，1952)。鏡像結構在天線結構的設計中應用較少，實驗證明在印刷偶極子天線的設計中添 加鏡像補償結構能很好的改善天線的回波損耗([15]湯偉.RFID天線設計與實現.廈門大 學，2008)。而陣列結構能利用陣列單元天線之間的相互耦合而改變天線的阻抗，進而改變 天線的Sll系數等天線特性參數。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。目前，應用Koch分形環貼片、應用彎折結構、雙錐型結構、鏡像結構以及陣列結 構，來制作三頻偶極子天線，并應用在RFID系統中的910MHZ和2450MHz工作頻段以及移動 通信的1800MHz頻段的相關技術未見報道。
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 的帶鏡像結構和對稱Koch分形環以及彎折結構的三頻Koch分形環鏡像偶極子天線。本發明所述三頻覆蓋RFID常用頻段745 1067MHz、2215 2647MHz，以及移動通 信的 1617 1912MHz。本發明設有基板，基板的兩面均覆有金屬層，兩層均以帶鏡像結構的對稱的Koch 分形環以及彎折結構作為偶極子兩臂，所述偶極子臂為三頻Koch分形環鏡像偶極子天線 輻射貼片，兩層的天線結構組成類似陣列形式。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3. 7士25%。基板的形狀可為矩形等，優選矩形，矩形基板的尺寸最好 是長度 40mm士 0. 25mm,寬度 16mm士 0. 25mm,厚度 1. 5mm士 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 和顯著的效果由于本發明采用上述結構，因此具有三頻工作頻帶，即910MHz頻段、1800MHz頻 段和2450MHz頻段，3個頻段范圍分為745. 5 1067MHz，絕對帶寬321. 5MHz，相對帶寬 35. 47%；1617 1912MHz，絕對帶寬 295MHz，相對帶寬 16. 72%；2215 2647MHz，絕對帶寬432MHz，相對帶寬17. 77%。天線尺寸約為常規微帶天線尺寸的10%。由此可見，本發明具有尺寸小、帶寬大等良好的特點，可達到小型化RFID天線以 及滿足移動通信天線的目的，完全可以將其放在RFID標簽或讀寫器里以及1800MHz頻段的 移動通信系統里。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應用系統以及移動通信系統對天線的具體要求。
圖1為本發明實施例的組成陣列結構的單元之一帶鏡像結構和對稱Koch分形環 以及彎折結構的三頻Koch分形環鏡像偶極子天線的結構示意圖。圖2為本發明實施例的組成陣列結構的單元之二 帶鏡像結構和對稱Koch分形環 以及彎折結構的三頻Koch分形環鏡像偶極子天線的結構示意圖。圖3為本發明實施例的回波損耗(S11)性能圖。在圖3中，橫坐標表示頻率 TheFrequency (MHz)，縱坐標表示回波損耗強度 The return loss (dB)。圖4為本發明實施例的H面方向圖。在圖4中，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，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1，本發明實施例設有雙面覆銅的環氧樹脂基板1，基板1的兩面均覆有 金屬層，并且兩層都是以帶鏡像結構的對稱的Koch分形環以及彎折結構作為偶極子兩 臂，其中一面的結構以及尺寸如圖1所示。基板1的尺寸為長度40mm士0.25mm，寬度 16mm士0. 25mm，厚度1. 5mm士0. 25mm。在該層天線偶極子結構兩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。兩層的天線結構組成類似陣列形式。基板1為FR4基板。參見圖2，基板1的另一面覆銅層的天線結構與第一面結構相同，即以帶鏡像結構 的對稱的Koch分形環以及彎折結構作為偶極子兩臂。兩層的天線關于基本對稱，從而組成 類似陣列形式。在該層天線偶極子結構兩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。第一層天線與第二層天線同源饋電。本發明的制造加工誤差對天線特性的影響情況參見表1。參見圖3，從圖3可以看出，天線的工作頻帶覆蓋了 745. 5 1067MHz、1617 1912MHz和2215 2647MHz，工作頻帶內的回波損耗都在-IOdB以下，3個工作頻帶內的最 小回波損耗分別為-55. 62dB、-45. 39dB和-56. 38dB。天線回波損耗(S11)性能在整個通 頻帶內滿足要求，天線的3個頻段絕對帶寬分別為321. 5MHz,295MHz和432MHz，其相對帶 寬分別為35. 47 %、16. 72 %和17. 77 %，優于常規的微帶天線，可完整覆蓋RFID系統中的 860 960MHz5、2. 45GHz的工作頻段以及移動通信的1800MHz頻段。由圖4中可見，天線輻射覆蓋了 0° 360°范圍，表明本發明具有全向輻射特性。由圖5中可見，線輻射覆蓋了 0° 360°范圍，表明本發明具有全向輻射特性。表 1介質FR4尺寸FR4基板相對介電常數3.7±0.2、基板厚度頻段長 40mm±0.5mm1.5mm、鍍銅層厚度、初始單元線段長度、寬 16mm±0.5mm饋電點位置等誤差控制在5%以內頻段1 (910 MHz)保證覆蓋， 不受影響保證覆蓋，不受影響頻段2 (1760 MHz)保證覆蓋， 不受影響保證覆蓋，不受影響頻段3 (2490 MHz)保證覆蓋， 不受影響保證覆蓋，不受影響Sll (頻段1)引起的波動不超過2%。優于 -IOdB引起的波動不超過2%。優于-IOdBSll (頻段2)引起的波動不超過2%。優于 -IOdB引起的波動不超過2%。優于-IOdBSll (頻段3)引起的波動不超過2%。優于 -IOdB引起的波動不超過2%。優于-IOdB絕對帶寬 (頻段1)(1^2)>321.5>321.5絕對帶寬(頻段2)>295>295(MHz)絕對帶寬(頻段3)>432>432(MHz)相對帶寬 (頻段1)>35.47%>35.47%相對帶寬 (頻段2)>16.72%>16.72%相對帶寬 (頻段3)>17.77%>17.77%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，tg δ < 0. 002。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)系統對以及移動通信系統對于天線的要求。
權利要求
1.三頻Koch分形環鏡像偶極子天線，其特征在于設有基板，基板的兩面均覆有金屬 層，兩層均以帶鏡像結構的對稱的Koch分形環以及彎折結構作為偶極子兩臂，所述偶極子 臂為三頻Koch分形環鏡像偶極子天線輻射貼片。
2.如權利要求1所述的三頻Koch分形環鏡像偶極子天線，其特征在于所述基板為絕緣 阻燃基板。
3.如權利要求1或2所述的三頻Koch分形環鏡像偶極子天線，其特征在于所述基板為 FR4基板。
4.如權利要求1或2所述的三頻Koch分形環鏡像偶極子天線，其特征在于所述基板為 環氧樹脂基板。
5.如權利要求1或2所述的三頻Koch分形環鏡像偶極子天線，其特征在于所述基板的 相對介電常數為3. 7 士 25%。
6.如權利要求1或2所述的三頻Koch分形環鏡像偶極子天線，其特征在于所述基板的 形狀為矩形。
7.如權利要求6所述的三頻Koch分形環鏡像偶極子天線，其特征在于所述矩形基板的 尺寸長度為 40mm士 0. 25mm,寬度為 16mm士 0. 25mm,厚度 1. 5 為 mm士 0. 25mm。
全文摘要
三頻Koch分形環鏡像偶極子天線，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帶鏡像結構和對稱Koch分形環以及彎折結構的三頻Koch分形環鏡像偶極子天線。所述三頻覆蓋RFID常用頻段745～1067MHz、2215～2647MHz，以及移動通信的1617～1912MHz。設有基板，基板的兩面均覆有金屬層，兩層均以帶鏡像結構的對稱的Koch分形環以及彎折結構作為偶極子兩臂，所述偶極子臂為三頻Koch分形環鏡像偶極子天線輻射貼片，兩層的天線結構組成類似陣列形式。
文檔編號H01Q5/01GK102005643SQ201010507378
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月14日 優先權日2010年10月14日
發明者周建華, 游佰強, 王菁, 羅勇, 胡秀麗 申請人:廈門大學