[发明专利]基于超材料的射频识别分形天线

说明书

技术领域

本发明属于涉及天线技术领域，特别是一种基于超材料的射频识别RFID分形天线，可用于非接触的双向数据通信。

背景技术

射频识别RFID，是一种通过无线射频方式进行非接触的双向数据通信，对目标加以识别并获取相关数据的自动识别技术。现在RFID已经渗透到人们日常生活的各个领域，其应用包括资产管理、人员门禁、物流等。在RFID系统中，RFID标签天线对整个无线通信系统的工作指标有关键性的影响。中国公布的UHF频段中RFID频率范围为840～845MHz和920～925MHz两个频段。传统的RFID天线有很多种形式，比如十字交叉天线，偶极子天线，双臂螺旋天线，微带天线，其中微带天线由于其低剖面，成本低，体积小等优点应用最为广泛。为满足读写器RFID天线工作于840～845MHz和920～925MHz两个频段的要求，如果直接采用传统微带天线设计，则存在着天线的带宽比较窄，不能满足两个频段同时工作的要求。传统的实现双频带有多谐振、开槽线、双贴片等方法，这些技术主要靠改变辐射贴片来实现双频带工作，设计复杂，且辐射效率受到一定的影响。

发明内容

本发明的主要目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于超材料的射频识别RFID分形天线，以简化结构，提高辐射效率，满足840～845MHz和920～925MHz两个频段的工作要求。

本发明的技术方案是这样的：

一.技术原理

近几年，具有独特电磁特性的一些人工材料成为电磁领域一个研究热点，如电磁带隙EBG结构，缺陷地结构DGS，左手媒质LHM，频率选择表面FSS等。这些材料统称为“Metamaterials”，即“超材料”或“超颖质材料”。这些材料都是人工合成材料，在电磁领域都表现出一些在自然界中不存在的现象，像频率禁带、负折射率等。当把它们应用于微波和毫米波工程领域中，可显著改善一些设备及器件的性能，如提高天线增益，增加天线带宽，减小阵元间耦合，制造高Q谐振腔等。这些人工材料的出现，为克服当前天线、通信领域中遇到的一些技术瓶颈提供了可能的解决方案。

本发明利用所述“超材料”的频率禁带特性，设计了一种树状超材料，即上、下面同时刻蚀有树枝状分形结构的介质板，当电磁波垂直于双面树枝状结构阵列入射时，磁场可以在树枝间产生感应电流，从而引入电感。正反面树枝间存在间隙，从而产生电容，于是产生了和树枝的几何尺寸有关的LC谐振，从而产生了一个透射禁带，得到负磁导率。根据电磁仿真软件Ansoft HFSS模拟结果，各级分支长度选取越大，线宽越窄，基板材料的介电常数越大，产生负磁导率的谐振频率就越低。因此，可以通过控制树枝的各分支长度，介质板的介电常数，以及单元之间的距离，来实现不同频点的透射禁带，将设计的超材料介质板置于辐射贴片和天线底板中间，通过合理的调整分形结构与底板的位置，使天线谐振的两个频带分别覆盖中国RFID所需的840～845MHz和920～925MHz两个频段，避开传统复杂的开槽线和双层堆积微带天线，同时通过保持辐射贴片面积不变，提高辐射效率。

二.天线结构

为了实现发明目的，本发明包括辐射贴片、树枝状超材料介质板、同轴馈线和天线底板，其特征在于：

所述辐射单元与底板之间设有树枝状超材料介质板，该介质板的上、下两面均刻蚀有M行N列形状相同的树枝状阵列单元，M≥2，N≥2，每个单元均采用具有自相似特征的分形结构。

上述的基于超材料的射频识别分形天线，其特征在于：所述自相似特征的分形结构，类似于树枝形状，它包括四个十字交叉的分支，每个分支由一个主干和与主干垂直的两个分支组成，且离十字交叉点较近的第一分支c位于主干a的左侧，离十字交叉点较远的第二分支b位于主干a的右侧。

上述的基于超材料的射频识别分形天线，其特征在于：第一分支c与十字交叉点的距离S₁于第二分支b到第一分支c的距离S₂相等，且a=3b=3c，1mm≤S₁≤10mm。

上述的基于超材料的射频识别分形天线，其特征在于：介质板上、下两面的M行N列树枝状阵列单元严格对齐，即两个面的树枝状阵列单元在垂直空间面重叠。

上述的基于超材料的射频识别分形天线，其特征在于：所述辐射贴片和天线底板均采用金属矩形贴片，且天线底板大于辐射贴片。

上述的基于超材料的射频识别分形天线，其特征在于：同轴馈线穿过天线底板在辐射贴片的一侧进行馈电。

本发明具有如下优点：