电子商务物流业务电子标签的双频分形天线分析

【Word版本下载可任意编辑】电子商务物流业务电子标签的双频分形天线分析本文针对RFID系统双频工作的要求，设计了两款能够双频带工作的π型分形折叠偶极子天线，使其能够同时覆盖现代电子商务物流RFID系统常用的两个工作频段：0.902~0.928GHz和2.4~2.4835GHz,且在两个工作频段都有较好的性能，分别仿真并测试了两款天线的回波损耗和方向图特性。

0引言

电子商务作为一个新的业务形态正逐步成为商业的主流，电子商务企业开展业务过程中市场营销和推广活动面对的是全网用户，庞大的客户群会在活动的短时间内同时产生大量的物流需求。在20**年淘宝双11节的活动中，当日产生8000多万单的快件，而目前我国整个物流行业单日运力之和仅有1600万~2000万单左右，没有更加科技化和自动化手段支持的物流系统无法满足电子商务物流业务的需求，无法有效支撑网络经济的发展。借助电子标签技术的现代化电子商务物流拣货系统需要逐步建设和推广。自动化的电子标签拣货系统一般包括主机、控制器、电子标签、系统软件、数据库、机械设备等，通过系统化的统一服务，可以大幅度地提高分拣效率，减少误捡率，从而提高电子商务物流的整体效率。

电子标签即射频识别（RFID）技术是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。与传统的自动识别系统如条形码相比，RFID技术具有很多优势：可以定向或不定向的远距离读取或写入数据，无需保持识别的目标可见，可以透过外部非屏蔽材料读取数据，可以在复杂环境下工作，可以同时处理多个电子标签，可以储存的信息量较大等等。天线是一种将无线电收发信机的射频功率信号以电磁波的形式接收或辐射出去的器件，天线所形成的电磁场强度和有效作用范围决定了RFID系统的识别距离和范围，因此天线设计及制造技术是RFID的关键技术之一。

1双频RFID系统对天线的要求

当前，国际上RFID系统两个常用工作频段的频率范围分别为0.902~0.928GHz和2.4~2.4835GHz,其带宽要求分别为26MHz和83.5MHz.由于传统的天线只能工作在单一的频段范围内，应用传统天线的RFID标签只能被工作在某一频率上的读写设备所读取，若更换不同频率的读写设备，则标签失效，这限制了RFID系统的应用范围。而应用了双频天线的RFID标签使问题变得简单，它可以被工作在两个频段的读写设备识别，具有良好的频率兼容性。现有的双频RFID天线两个工作频段的性能常出现不平衡，呈现“一主一从”

的辐射特性，天线在两个工作频段的回波损耗和带宽有较大差异，限制了双频RFID天线的应用。

一款性能良好的双频RFID天线，必须能够同时覆盖现代RFID系统两个常用工作频段：0.902~0.928GHz和2.4~2.4835GHz,且在两个工作频段都有较好的性能，天线的回波损耗（S11）值在两个工作频带内都应在-10dB以下，低频段的回波损耗值应小于-20dB,工作带宽应大于100MHz;高频段的回波损耗值应小于-20dB,工作带宽应大于200MHz;天线在两个工作频段都应有全向辐射特性。

2π型分形折叠构造简介

分形天线是把天线辐射构造设计为分形构造的天线，其整体与局部以及局部和局部之间都具有自相似性，多层次的自相似性使得分形天线上的射频电流得到均匀分布，因此天线具备宽频工作特性。

π型分形构造是一种线式分形构造，其迭代构造过程如下：将一条一定长度的直线段分为三段，分别在左右两段横向线段和中段横向线段间插入两段纵向线段，即构成一个1阶π型折线。对1阶π型分形折线的所有直线段依次开展π型分形折叠，则生成了2阶π型分形折线，如图1所示。

31阶双频π型分形折叠偶极子天线的设计与制作

在远距离耦合的RFID应用系统中，常用的是偶极子天线。典型的偶极子天线由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成。为了缩小天线的尺寸，使之可以放进RFID标签或读写器中，采用π型分形折叠技术对偶极子天线臂开展了改良设计。

在设计中，在一个偶极子天线的横向臂上添加两个折叠臂。折叠臂的形状为变形π型分形折叠构造，如图2所示。使用FR4介质板作为天线的介质基板。介质板厚度为h=1.5mm,相对介电常数εr=3.7.天线的构造示意图如图3所示，天线尺寸为95mm×40mm.

在忽略天线粗细的横向影响下，偶极子天线设计可以取天线臂的长度为λ/4的整数倍。在设计中，为了使偶极子天线有更大的带宽和更好的辐射特性，采用了全波偶极子天线的设计方案。偶极子天线臂需满足以下条件：

图3所示的双频天线构造可以看作是两个分别工作在不同频段的折叠偶极子天线的叠加。根据式（1）可得，工作在0.902~0.928GHz频段的天线臂总长约为86mm,由一个横向臂和三个折叠臂相融合而成，横向臂长度为18mm,三个折叠臂的参数如图3（b）所示，且q1=4mm,q2=3mm,q3=1.5mm;工作在2.4~2.4835GHz频段的天线臂总长约为32mm,由一个横向臂和两个折叠臂相融合而成，横向臂长度为4mm,两个折叠臂的参数如图3（c）所示，且q1=2.5mm,q2=1mm.在设计过程中，在偶极子天线的下方添加了镜像补偿构造来改善天线性能，其尺寸构造与天线的馈电辐射臂完全一致。合理设置偶极子天线臂与镜像补偿构造之间的距离，可使镜像补偿构造上的电流与有源偶极子天线臂上的电流有相同或相近的相位。这时，空间任一点的场都是天线直接激发的场与镜像补偿构造激发的二次场的同相叠加，天线的辐射性能将得到较大的提高。

根据上文所述设计方案，用腐蚀工艺制板法制作出了天线样品，如图4所示。

用AV3619系列射频一体化矢量网络分析仪测量了天线的回波损耗，测量结果如图5（a）所示，天线的低频段谐振频率在0.915GHz处，谐振频率处的回波损耗S11值（S11值）为-16.40dB,天线的工作带宽为0.274GHz;天线的高频段谐振频率在2.415GHz处，谐振频率处的回波损耗S11值（S11值）为-22.35dB,天线的工作带宽为0.217GHz.

搭建开放场区测试系统，测得天线在0.915GHz和2.415GHz时的方向图如图5（b），图5（c）所示。天线低频段E面方向图有两个瓣，一个在310°~60°之间，另一个在130°~230°之间，低频段H面方向图全向覆盖；天线高频段E面方向图有两个瓣，一个在310°~75°之间，另一个在130°~250°之间；高频段H面方向图有两个瓣，一个在350°~100°之间，另一个在160°~270°之间。两个瓣基本上覆盖大部分角度，该天线在两个工作频段均具有全向辐射特性，但天线在高频段辐射强度不够均匀，有一定的方向性。

42阶双频π型分形折叠偶极子天线的设计与制作

上节中设计的1阶双频π型分形折叠偶极子天线基本满足了设计要求，但在低频段回波损耗值偏高；在高频段辐射强度不够均匀，有一定的方向性，还需要进一步改良。构成天线臂的π型分形折叠是一种线分形构造，高阶的线分形构造具有更好的自相似特性，由其组成的天线将具备更好的性能。因此在设计改良型天线构造时，使用2阶π型分形折叠构造来设计天线的折叠臂。2阶π型分形折叠构造由一条直线段经过两次π型分形折叠变换得到，次变换得到如图2所示的变形π型分形折叠构造，再将其所有直线段依次迭代生成2阶π型分形折线构造。在设计中，使用FR4介质板作为天线的介质基板。介质板厚度为h=1.5mm,相对介电常数εr=3.7.天线尺寸为66mm×45mm.天线构造如图6所示。

天线整体可以看作是两个分别工作在不同频段的折叠偶极子天线的叠加。根据式（1）可得，工作在0.902~0.928GHz频段的天线臂总长约为86mm,由一个横向臂和一个折叠臂相融合而成，横向臂长度为15.25mm,折叠臂由一个原长度为21mm的直线段经过两次π型分形折叠变换得到；工作在2.4~2.4835GHz频段的天线臂总长约为32mm,由一个横向臂和一个折叠臂相融合而成，横向臂长度为3.25mm,折叠臂由一个原长度为9mm的直线段经过两次π型分形折叠变换得到。在设计过程中，依然在天线辐射臂下方添加了镜像补偿构造来改善天线性能。

根据上文所述设计方案，用腐蚀工艺制板法制作出了天线样品，如图7所示。

天线的回波损耗测量结果如图8（a）所示，天线的低频段谐振频率在0.90GHz处，谐振频率处的回波损耗S11值（S11值）为-21.42dB,天线的工作带宽为0.204GHz;天线的高频段谐振频率在2.43GHz处，谐振频率处的回波损耗S11值（S11值）为-21.36dB,天线的工作带宽为0.241GHz.

测得天线在0.90GHz和2.43GHz时的方向图如图8（b），图8（c）所示。天线低频段E面方向图有两个瓣，一个在310°~50°之间，另一个在130°~240°之间，两个瓣基本上覆盖大部分角度，低频段H面方向图全向覆盖；天线高频段E面方向图有两个瓣，一个在310°~70°之间，另一个在110°~230°之间，两个瓣基本上覆盖大部分角度，高频段H面方向图全向覆盖。该天线在两个工作频段均具有全向辐射特性。

5结论

本文针对电子商务物流系统电子标签的天线双频工作及各个工作频段性能平衡的要求，分别采用1阶π型分形折叠构造和2阶π型分形折叠构造，设计了两款能够双频带工作的分形天线，用腐蚀工艺制板法制作了天线样品，并对天线的回波损耗和方向图特性开展了测试。测试结果显示，两款天线的回波损耗（S11）值在两个5结论本文针对电子商务物流系统电子标签的天线双频工作及各个工作频段性能平衡的要求，分别采用1阶π型分形折叠构造和2阶π型分形折叠构造，设计了两款能够双频带工作的分形天线，用腐蚀工艺制板法制作了天线样品，并对天线的回波损耗和方向图特性开展了测试。

测试结果显示，两款天线的回波损耗（S11）值在两个工作频带内都在-10dB以下，天线完全覆盖了0.902~0.928GHz和2.4~2.4835GHz两个工作频段；两款天线低频段的工作带宽都大于1