[发明专利]用于射频识别系统的光子带隙陶瓷科赫分形偶极子天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种偶极子天线，尤其是涉及一种用于射频识别系统的光子带隙陶瓷科赫分形偶极子天线。

背景技术

射频识别技术(Radio Frequency Identification，英文缩写为RFID)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。RFID标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理等，将此技术与互联网、通讯等技术相结合，用于物流、制造、公共信息服务等行业，可实现高效管理与运作，降低成本。随着安全软信息相关技术的不断完善和成熟，RFID系列产业将成为一个新兴的高技术产业群，成为国民经济新的增长点，对提升社会信息化水平、促进经济可持续发展、提高人民生活质量、增强公共安全与国防安全等方面都将产生深远的影响，并具有重大的战略性意义。可以预计RFID技术将成为继移动通讯技术、互联网技术之后又一项影响全球经济与人类生活的新一代技术。

天线设计及制造技术是射频识别技术的核心关键技术之一，天线的各项特性及形态大小，极大程度地影响了射频识别系统的工作性能及应用领域，随着RFID技术系列应用的飞速发展，人们对RFID天线在宽带化、小型化、宽标定无适应性、抗破坏性、多频段多网络兼容性等方面提出了更高的要求。天线在RFID系统中具有举足轻重的地位，对其进行深入的研究具有重要的参考价值和实用意义。

20世纪70年代，法国数学家B.B.Mandelbrot在总结了自然界中非规则几何图形后，第一次提出了分形这个概念，认为分形几何学可以处理自然界中那些极小规则的构型，指出分形几何将成为研究许多物理现象的有力工具。

到了20世纪80年代，关于波与分形结构相互作用的研究促进了分形电动力学的发展，而分形天线正是分形电动力学的众多应用之一。它能够使得我们有效地设计小型化天线或把多个无线电通信元件集成到一块设备上。分形几何是通过迭代产生的具有自相似特性的几何结构，它的整体与局部之间以及局部与局部之间都具有自相似性，天线的分形设计是电磁理论与分形几何学的融合。研究发现，与传统天线相比，分形天线具有小型化、宽频带、多频工作、高辐射电阻、自加载等优点，能够很好地满足RFID系统对天线的要求。

射频识别系统的常用工作频段的频率范围为0.902～0.928GHz，其带宽要求为26MHz。对于RFID系统的天线设计要求具有大带宽、小尺寸，且在整个方位平面上提供均匀覆盖，增益在0dB以上。

科赫(koch)分形天线是一种典型的分形天线。科赫(koch)分形结构的初始元为一条线段，将其三等分，将中间的一段用夹角为60°的两条等长的线段来代替，即构成一阶科赫(koch)分形结构。将一阶科赫(koch)分形结构的各条线段三等分，将中间的一段用夹角为60°的两条等长的线段来代替，得到二阶科赫(koch)分形结构。按此迭代，可生成各高阶科赫(koch)分形结构。科赫(koch)分形天线具有良好的宽频带特性，在微带天线中获得很好的应用。此外，它还有助于改善辐射方向图和减小交叉极化。

对于目前的RFID天线，常规的微带天线尺寸明显过大，且存在工作带宽小等缺点，即便通过插入短路针、使用馈电环路等技术来进行改进，效果仍不理想。射频识别技术的发展，迫切需要一款天线能够覆盖0.902～0.928GHz工作频段。偶极子天线具有尺寸小、辐射能力强、全向辐射特性、制造工艺简单、成本低等特点，能够满足RFID应用系统中对天线的具体要求。

相比于传统的基底材料，陶瓷基底具有介电常数高、介质损耗小等优点，使用陶瓷基底可以有效缩小天线尺寸。光子带隙(PBG，Photonic Band-Gap)结构由一种介质材料在另一种介质材料中周期分布所组成。这种结构可以通过缩放尺寸关系应用于很宽的频率范围，因此近几年来微波与毫米波领域的PBG结构应用越来越引起人们的关注。在PBG结构中，电磁波经周期性介质散射后，某些波段电磁波强度会因破坏性干涉而呈指数衰减，无法在该结构中传播，于是在频谱上形成带隙。PBG结构在微波领域，特别是微波电路和天线领域中有着巨大的应用价值，现已被广泛地应用到微波、毫米波波段的电路与器件的设计中。合理应用光子带隙结构能够改善天线的辐射特性，展宽天线的工作带宽。目前，把科赫(koch)分形贴片、陶瓷基底材料、光子带隙结构结合起来制作偶极子天线，并应用在RFID系统中0.902～0.928GHz工作频段的相关技术未见报道。

发明内容