引言

　　射頻識(shí)別即RFID（Radio Frequency IDentification）技術(shù)，又稱電子標(biāo)簽、無(wú)線射頻識(shí)別，是一種通信技術(shù)，可通過無(wú)線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification,縮寫RFID），射頻識(shí)別技術(shù)是20世紀(jì)90年代開始興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，射頻識(shí)別技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過空間耦合（交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)）實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。

　　從信息傳遞的基本原理來(lái)說，射頻識(shí)別技術(shù)在低頻段基于變壓器耦合模型（初級(jí)與次級(jí)之間的能量傳遞及信號(hào)傳遞），在高頻段基于雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的空間耦合模型（雷達(dá)發(fā)射電磁波信號(hào)碰到目標(biāo)后攜帶目標(biāo)信息返回雷達(dá)接收機(jī)）。1948年哈里斯托克曼發(fā)表的"利用反射功率的通信"奠定了射頻識(shí)別技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

　　在RFID系統(tǒng)應(yīng)用中，電子標(biāo)簽天線需要附著在需要識(shí)別的物體上，作為識(shí)別物品的身份象征，并且由于被識(shí)別物體的多樣性，人們對(duì)電子標(biāo)簽天線提出了更高的要求，主要體現(xiàn)在寬頻帶、小型化、便于安裝和攜帶，同時(shí)要求天線有高的效率。這種天線從某種意義上來(lái)說是分形天線的自相似性具體化，分形天線的自相似性對(duì)于電子標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)具有具有重要意義。

　　分形天線是一種新型天線，它將分形幾何應(yīng)用于天線，完全不同于傳統(tǒng)意義上的歐式幾何天線。分形結(jié)構(gòu)的高度空間自填充特性可以轉(zhuǎn)變?yōu)榉中翁炀€的小型化特征，例如Koch分形天線、Hilbert分形天線、Minkinski分形天線等。

　　本文提出了一種新型分形天線加載的Sierpinski墊片天線，與傳統(tǒng)天線相比，此天線充分利用了新型分形結(jié)構(gòu)的高度自填充性以及Sierpinski分形天線的的多頻段特性，從而實(shí)現(xiàn)了一種新型的小型化、多頻段分形天線。

　　1分形結(jié)構(gòu)的幾何描述和天線生成

　　分形結(jié)構(gòu)的天線構(gòu)造形式很多，本文采用兩點(diǎn)格式法進(jìn)行構(gòu)造新型分形天線。先定義一個(gè)初始元和一個(gè)生成元，初始元給定了分形圖形的框架，生成元給定了新型分形天線的構(gòu)造方法。此新型分形天線的初始元和生成元如圖1所示。

　　圖1中符號(hào)的上標(biāo)代表迭代次數(shù)，下標(biāo)代表坐標(biāo)點(diǎn)。選取：

　　式中：k=1/4為分形凹入的寬度。

　　由分形理論可以知道，該新型分型結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)D取決于以下方程：

　　通過1階生成元的迭代過程，可以進(jìn)行再次迭代得到2階及3階生成元。雖然此新型分形曲線具有與Koch分形結(jié)構(gòu)相同的迭代特性以及空間填充特性，研究發(fā)現(xiàn)，此新型曲線在降低諧振頻率上有一個(gè)極限值，一般在5階以上性能就不明顯了，這里稱之為分形極限。同時(shí)，由于現(xiàn)代制造工藝的限制，一般分型天線都在5階以下。

　　此新型分形曲線同Koch分形曲線有很多相似之處，1階新型分形曲線比1階Koch曲線長(zhǎng)30.18%,2階新型分形曲線比同階的Koch曲線長(zhǎng)1.44倍，而且具有分形天線的特性。由此可以說明，此分形天線具有比Koch分形結(jié)構(gòu)更強(qiáng)的自填充能力，用在天線設(shè)計(jì)中可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的電流有效路徑，從而降低諧振頻率，實(shí)現(xiàn)天線的小型化。

　　2 Sierpinski分形天線

　　Sierpinski三角形是由波蘭數(shù)學(xué)家Sierpinski提出的一種分形結(jié)構(gòu)，圖2顯示了使用迭代函數(shù)系統(tǒng)（IFS）構(gòu)造Sierpinski分形天線的過程，它的分形維數(shù)為：D=In3/In2=1.58.

　　2.1 Sierpinski分形結(jié)構(gòu)的邊長(zhǎng)對(duì)天線性能的影響

　　對(duì)于Sierpinski分形天線，這里研究了角度均為600,比例因子均為0.5時(shí)，三角形的邊長(zhǎng)分別為48mm,56mm,60mm時(shí)，基于0階和1階的偶極子天線性能。天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。利用HFSS11.0進(jìn)行仿真，其中1階分形結(jié)構(gòu)僅列出低頻諧振頻率，仿真結(jié)果如表1所示。

　　表1仿真結(jié)果表明：在天線比例因子不變，角度不變的條件下，隨著邊長(zhǎng)的增長(zhǎng)，諧振頻率、諧振深度、帶寬BW（VSWR<2）均在逐漸減小，這是由于增益雖然變化不是十分明顯，這有益于天線校正?；赟ierpinski分形結(jié)構(gòu)的天線的諧振頻率與天線的周長(zhǎng)和高度有關(guān)。在保持天線的周長(zhǎng)和高度不變的條件下，階數(shù)的變化不會(huì)影響諧振頻率點(diǎn)。

　　2.2角度不同，對(duì)天線性能的影響

　　對(duì)于0階Sierpinski分形天線而言，其實(shí)它就是兩塊三角形的平板，三角形板型天線為寬頻帶天線，這里研究當(dāng)其兩條邊相同，但其所夾角不同時(shí)，天線的性能。天線的邊長(zhǎng)為60mm時(shí)，所夾角分別為30°，60°，90°，由HFSS11.O仿真得其天線性能如表2所示。

　　從表2的仿真結(jié)果可以看出，角度為30°時(shí)，其天線的增益，同時(shí)，無(wú)論是角度大小，其諧振頻率基本上是不變的。這是因?yàn)?，?duì)于Sierpinski墊片分天線而言，而此時(shí)天線的邊長(zhǎng)都相等，所以諧振頻率基本不變。

　　2.3比例因子對(duì)天線性能的影響

　　文獻(xiàn)中比較了張角θ=60°不變的條件下，比例因子δ分別為1.5和1.67對(duì)Sierpinski分形天線諧振頻率的影響。結(jié)果表明隨著比列因子δ的減小，天線的諧振頻率將向低頻端移動(dòng)。諧振頻率間的個(gè)比值相對(duì)偏大，且個(gè)諧振頻率點(diǎn)與三角形的高度有關(guān)，輻射方向圖與天線在空間的分布有關(guān)，而與天線的迭代次數(shù)沒有關(guān)系。同時(shí)也給出，當(dāng)角度減小到一定程度時(shí)，天線的多頻段特性均不明顯。

　　3新型分形加載的Sierpinski墊片天線

　　基于以上分析，設(shè)計(jì)出一款諧振在915MHz新型加載Sierpinski墊片偶極子天線，此天線采用NXPG2XM標(biāo)簽芯片，其參數(shù)為在915MHz時(shí)，芯片對(duì)外呈現(xiàn)阻抗為22-j195Ω，天線的大小為96mm×54mm,它由頂角為60°的1階Sierpinski分形和頂角為30°的0階Sierpinski分形組成，在1階Sierpinski分形天線的兩邊加載新型分形天線，中間點(diǎn)為饋電點(diǎn)。天線模型如圖4所示。

　　此天線利用新型分形加載Sierpinski天線，新型加載從另一個(gè)角度來(lái)說，在角度不變的條件下，使三角形的高度增加，有效延展天線電流有效路徑，減小了天線的大小。利用夾角為30°的0階Sierpinski墊片天線高增益、寬頻帶特性，在諧振頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了比較深的諧振深度，使得駐波比更小。通過HFSS11.O仿真，天線的增益方向圖如圖5所示，圖6為回波損耗曲線及駐波比曲線。

　　從圖5和圖6中可以看出，在915MHz,天線的諧振深度為-34dB,其駐波比為1.05,天線的增益為2.28dB,在VSWR<2時(shí)，帶寬為190MHz,相對(duì)帶寬達(dá)到20.8%.在902~928MHz時(shí)，天線的駐波比均在1.15以下。

　　在天線的設(shè)計(jì)中，新型分形天線的寬度對(duì)諧振深度的影響比較大，考慮到工業(yè)應(yīng)用的要求以及諧振深度的因素，此天線的寬度為0.2~1mm,同時(shí)，天線寬度的增大，也能微弱地降低諧振頻率。天線的寬度做得過寬，對(duì)新型分形天線的迭代次數(shù)受到限制，正如前文所說，雖然理論上可以無(wú)限迭代，但是一般在5階以下，迭代次數(shù)再增加，影響將不明顯。

　　高階新型分形加載Sierpinski墊片天線，能極大地降低高頻端的諧振頻率。對(duì)2階新型分形加載天線；甚至能將高頻端的諧振頻率降低3GHz以上，同時(shí)保持天線的輻射方向圖基本不變。實(shí)際中高階分形天線的寬度應(yīng)該在O.05~0.2mm,這將嚴(yán)重影響低頻端的諧振頻率的諧振深度，尤其是諧振頻率，但對(duì)高頻端的諧振頻率將產(chǎn)生很好的效果，使得更加小型化、多頻段的天線得到實(shí)現(xiàn)。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　介紹了一款新型的分形天線，它比Koch分形具有更強(qiáng)的空間自填充能力，同時(shí)分析了Sierpinski墊片分形天線性能的影響因素：三角形的邊長(zhǎng)、角度和比例因子。它充分利用了新型分形天線的空間填充能力，延長(zhǎng)了Sierpinski分形天線的電流有效路徑，增大了諧振波長(zhǎng)，從而降低諧振頻率，減小天線的尺寸，達(dá)到了極深的諧振深度。在無(wú)線電設(shè)備要求日益小型化的今天有著實(shí)際的價(jià)值。