Hilbert分形結構在RFID標簽天線中的應用

現代社會產品越來越豐富，數據管理需求也越來越高，人們需要將多種多樣處于生產、銷售、流通過程中的物品進行標識、管理和定位。采用傳統的條形碼進行物品標識將會帶來一系列的不便：無法進行較遠距離的識別，需要人工干預、許多物品無法標識等等。相反，由于射頻識別fRFID1系統采用具有穿透性的電磁波進行識別，所以可以進行較遠距離的識別，無須人工干預，可以標識多種多樣的物品。

　　射頻識別技術是一種非接觸的自動識別技術。它是由電子標簽（Tag/TranspONder）、讀寫器（Reader/Interrogator）及中間件（Middle-Ware）~部分組成的一種短距離無線通信系統。射頻識別中的標簽是射頻識別標簽芯片和標簽天線的結合體。標簽根據其工作模式不同而分為主動標簽和被動標簽。主動標簽自身攜帶電池為其提供讀寫器通信所需的能量：被動標簽則采用感應耦合或反向散射工作模式，即通過標簽天線從讀寫器中發出的電磁場或者電磁波獲得能量激活芯片，并調節射頻識別標簽芯片與標簽天線的匹配程度，將儲存在標簽芯片中的信息反饋給讀寫器。因此。射頻識別標簽天線的阻抗必須與標簽芯片的輸入阻抗共軛匹配，以使得標簽芯片能夠最大限度地獲得射頻識別讀寫器所發出的電磁能量。此外，標簽天線設計時還必須考慮電子標簽所應用的場合，如應用在金屬物體表面的標簽天線和應用在普通物體表面的標簽天線在天線的結構和選材上存有很大的差別。適合于多種芯片、低成本、多用途的標簽天線是射頻識別在我國得到廣泛普及的關鍵技術之一。

　　本文分析了一維和二維Hilbert分形結構的RFID標簽天線，并對兩種分形標簽天線分別比較了其長度、諧振頻率、反射系數及方向圖隨分形階數的變化關系。 仿真結果表明，一維Hilbert分形標簽天線在尺寸縮減的同時，具有較高的天線效率，適合于RFID標簽應用。

　　1 Hilbert分形天線的幾何描述

　　0至4 階的Hilbert分形結構如圖1 所示。 Hil2bert天線是1 /3等邊分形天線， 0階Hilbert天線各邊長均為h. n階Hilbert天線總長度為

由圖1可見， Hilbert天線輪廓的總面積保持不變，為h2. 隨著Hilbert分形迭代階數的增加， Hilbert曲線的長度呈指數上升，趨近于無窮大，逐漸填充整個輪廓，此，Hilbert分形天線具有空間填充特性。

　　圖1　0～4階Hilbert分形結構

　　2 二維Hilbert分形標簽天線分析

　　根據圖1中的Hilbert分形結構，文中提出了如圖2所示的二維Hilbert標簽天線結構。 本文取Hil2bert標簽天線外部等邊長h = 54mm, 0階Hilbert標簽天線諧振頻率為915MHz. 用矩量法對0~2階的二維Hilbert標簽天線進行仿真，結果如圖3, 4 所圖3 二維Hilbert分形標簽天線的方向圖仿真結果

圖2　二維Hilbert分形標簽天線結構

圖3　二維Hilbert分形標簽天線的方向圖仿真結果

　　從圖3和表1可以看出，相對于相同縱向長度的普通偶極子天線，隨著分形階數的增加， 0~2階二維Hilbert標簽天線的方向圖基本保持不變，但諧振頻率逐漸減小： 2階二維Hilbert標簽天線的諧振頻率約為410MHz,若要保持諧振頻率為915MHz,則2階二維Hilbert標簽天線的等邊長度約為0. 46 h.

　　雖然Hilbert分形結構有效地減小了天線的電長度，然而隨著分形階數的增加，二維Hilbert標簽天線的增益和效率急劇下降， 2階二維Hilbert標簽天線的效率僅為8. 83%. 這表明二維Hilbert分形結構對標簽天線的尺寸縮減是以降低天線增益和天線效率為代價的，不能滿足RFID標簽天線設計的需要。

　　圖4　二維Hilbert分形標簽天線的S11曲線

表1　二維Hilbert分形標簽天線參數