WO2013143485A1

WO2013143485A1 - 一种基于分形处理的超高频标签天线

Info

Publication number: WO2013143485A1
Application number: PCT/CN2013/073409
Authority: WO
Inventors: 刘智佳; 杜国宏
Original assignee: Liu Zhijia
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2013-10-03
Also published as: US9705178B2; CN103367886A; CN103367886B; US20160372816A1

Abstract

本发明涉及一种基于分形处理的超高频标签天线，具有基板（2）、辐射板（3）以及底板（4），所述辐射板（3）具有第一辐射振子单元（31）和第二辐射振子单元（32），所述第一辐射振子单元（31）和所述第二辐射振子单元（32）之间由芯片（33）相耦接，所述第一辐射振子单元（31）和所述第二辐射振子单元（32）具有分形结构。本发明将分形理论运用到超高频标签天线设计中，利用分形理论的空间填充性构成一个微带分形二元阵列天线的辐射板，从而降低标签天线的谐振频率，减小天线尺寸。

Description

一种基于分形处理的超高频标签天线技术领域

本发明涉及一种标签天线，尤其是涉及一种基于分形处理的超高频标签天线。背景技术

随着 RFHXRadio Frequency Identification)——射频识别技术的发展和普及， RFID作为快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和消息标椎化的基础，已经被世界公认为本世纪十大重要技术之一，随着超高频 UHF频段中国标准的逐渐明朗化以及物流、智能交通、数字景区等应用的需求，，人们对各种不同领域金属以及非金属资财的追踪管理需求已日渐清晰化，比如超薄，超小，超轻的标签设计。这对标签天线的设计提出了更高且更复杂的要求。

虽然，随着标签天线技术的不断发展出现了微带天线，具有低剖面、重量轻、成本低，可与各种载体共形，适合印刷电路板技术批量生产、易于实现圆极化、双极化、双频段工作等优点，然而传统的标签天线在几何形状上基本上都是基于欧几里德几何的设计，其能达到的最小尺寸仍然有限。

因此，一种新型的小型化标签天线成为行业内产品发展的方向。发明内容

本发明为克服上述现有标签天线的缺陷，探索现代标签天线的设计，解决传统的标签天线设计中出现的问题和矛盾。将分形几何应用到标签天线工程中，可设计出尺寸和频带指标更好的分形天线。

为实现上述发明目的，本发明提供一种基于分形处理的超高频标签天线，具有基板、辐射板以及底板，辐射板具有第一辐射振子单元和第二辐射振子单元，第一辐射振子单元和第二辐射振子单元之间由芯片相耦接，第一辐射振子单元和第二辐射振子单元具有分形结构。

根据上述构思，该分形结构为正方形分形区域经过分形、复制、叠加而形成。

根据上述构思，第一辐射振子单元与第二辐射振子单元对称分布。

根据上述构思，分形结构具有辐射元图案。根据上述构思，正方形的辐射元是在选择区域经过 9等分形成的正方形辐射元。根据上述构思，该正方形分形区域的分形过程为对正方形区域 9等分后，蚀刻其中的 4个等分的部分，形成具有正方形辐射元的正方形分形区域。

根据上述构思，正方形辐射元经过二次分形处理，使所述正方形辐射元具有空心结构。根据上述构思，将正方形分形区域进行复制，正方形分形区域与相邻的正方形分形区域相邻的一侧的具有相同区域图案的区域重叠，从而叠加形成叠加区域。

根据上述构思，依次在横向上复制叠加形成的叠加区域，并使相邻两个叠加区域具有相同辐射元图案的区域相叠加，形成具有分形结构的第一、第二辐射振子单元。

根据上述构思，分形图形为三角形、矩形、菱形或者圆形的规则的辐射元图案，或者是不规则的辐射元图案。

根据上述构思，该标签天线还具有短路结构，短路结构是位于基板的两侧面的短路面或者是基板上的导电过孔。

基于上述改进，本发明的基于分形处理的超高频标签天线利用分形理论的空间填充性构成一个微带分形二元阵列天线的辐射板，从而降低标签天线的谐振频率，减小标签天线尺寸。附图说明

图 1为本发明的基于分形处理的超高频标签天线；

图 2为本发明的辐射板的结构示意图；

图 3为本发明的分形结构的辐射振子单元形成过程示意图。具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施过程作详细介绍。

参见图 1和图 2，本发明的基于分形处理的超高频标签天线 1有基板 2以及分别附着于基板上表面的辐射板 3和下表面的基板底板 4，基板 2两侧具有短路面 5。本发明的基于分形处理的超高频标签天线 1的辐射板 3具有两个振幅振子单元 31、 32，振幅振子单元 31、 32之间具有芯片 33，振幅振子单元 31、 32经过对称的分形处理，利用分形理论的空间填充性，从而降低标签天线的谐振频率，减小标签天线尺寸。

本发明的基于分形处理的超高频标签天线 1的辐射板 3运用分形理论的空间填充性以及自相似性，将单个长方形振子通过分数维计算，将正方形分形单元经过周期重复叠加，从而形成具有辐射元 311阵列的辐射振子单元 31，在辐射板 3的与该辐射振子单元 31相对称设置的另一个辐射振子单元 32采用同样的分形重复叠加处理，从而同时构成一个微带分形二元阵列天线的辐射板 3。该基于分形处理的超高频标签天线 1的辐射元 311之间以及两个振幅振子单元 31、 32之间产生谐振，从而使标签天线的谐振频率降低，也使标签天线尺寸减小。

以下结合图 3，详细介绍本发明的分形结构形成过程，此处以面积为 65mm*7.1mm，谐振频率为 1250MHz的无分形处理的普通标签天线为例介绍如何形成相同面积的辐射板的过程。

首先规划分形单元的面积以及分形次数，选择 4.3mm*4.3mm的正方形区域，将该区域 9等分，蚀刻其中的 4个等分的部分，形成具有辐射元 311的正方形分形区域 34。正方形分形区域 34内的相接辐射元 311之间相连通，其通过蚀刻过程中改变该 4个等分部分的蚀刻面积的大小，从而决定相邻辐射元 311之间相连通的通路的面积，同时也可以通过改变相邻辐射元 311之间相连通的通路的面积而改变标签天线 10的阻抗和天线增益。

接下来，复制该正方形分形区域 34，并且使被复制的正方形分形区域 34与该复制的正方形分形区域 34'、 34"相邻的一侧的相同的区域相重叠，从而叠加形成如图 3所示的叠加区域 35中的图形。依次在横向上复制该经过叠加形成的叠加区域 35的图形，并且使相邻两个叠加区域 35、 35'具有相同辐射元 311 图案的区域相叠加，以此类推，至最后一个叠加区域后，在第一辐射振子单元 31的最后形成的部分，将两个末端的辐射元 312、 313 通过连接馈线 316连接，并与芯片 33相耦接，同时在该辐射元 312、 313及连接馈线 316 的相对第一辐射振子单元 31的外侧的空间填充辐射元 314、 315，从而形成具有分形结构的第一辐射振子单元 31。

此处填充的辐射元 314、 315并不属于分形天线重复叠加形成的辐射元，而是在连接馈线 316***、第一辐射振子单元 31的空白处，填充与第一辐射振子单元 31上的辐射元 311 相同结构的辐射元 314、 315，其作用在于有效拓展标签天线的空间填充性。芯片 22 与第一辐射振子单元 31之间采用连接馈线 316进行耦接，主要是为了提高标签天线 1的阻抗匹配度，得到标签天线性能的最优化。与第一辐射振子单元 31相对称设置的第二辐射振子单元 32通过相同方式获得。

在确定分形单元的面积及分形处理时，需要考虑最终的标签天线增益效果，如果分形次数太多，反而将导致天线本身有限的辐射面积减小，从而导致天线增益大大降低。其中最小分形的面积和叠加的次数可依据具体的设计和尺寸限制进行调整，选取适合天线本身结构的分形单元和重复次数。以上示例在分形处理过程中，在面积为 65mm*7.1mm的辐射板上选择分形的面积为 4.3mm*4.3mm，在该正方形分形区域内选择 9等分进行分形处理。

在本发明的另一实施例中，为了增加分形的效果，本实施方式中更可以在该正方形分形区域 34进行分形后的基础上进行二次分形，对其中的辐射元 311进行分形，其分形的原理与正方形分形区域 34分形的原理相似，所不同的是，对于辐射元 311的分形处理，蚀刻的是分形结构的中心区域，从而形成如图 2和图 3所示的辐射元 311的结构。后续的对于具有空心区域的辐射元 311的正方形分形区域 34的复制与叠加过程与上一实施方式中的过程相同，在此不再赘述。相比上一实施方式中的具有无空心结构的辐射元 311的标签天线 10来讲，本实施方式中具有空心结构的辐射元 311的标签天线 10可进一步降低天线谐振频率，缩小天线尺寸。

以上实施方式仅是以正方形分形单元为例来对基于分形处理的超高频标签天线 1 的辐射板 3的结构进行说明，并非用于限制本发明的辐射振子单元 31、 32的结构，本发明的辐射振子单元 31、 32中的辐射元 311 的分形图形也可以是正方形、三角形、矩形、菱形、圆形等规则图形或其他不规则图形。

本发明的基于分形处理的超高频标签天线 1具有短路结构，该短路结构用于连接辐射板 3和基板底板 4，其可通过在基板 2上以导电过孔的方式形成，也可以在基板 2两侧边形成短路面 5。以上解释仅为说明本发明的基于分形处理的超高频标签天线 1的短路结构的形成位置和形成方式，而本发明的基于分形处理的超高频标签天线 1的短路面 5并非实现本发明所必须的结构。然而具有短路结构的基于分形处理的超高频标签天线 1的尺寸可相对不具有短路结构的基于分形处理的超高频标签天线 1的尺寸可大幅缩减。

以下结合表 1实验数据对本发明的基于分形处理的超高频标签天线 1的有益效果进行说明。

表 1 :

表 1是分别基于具有相同辐射单元的两个标签天线进行测试的结果，其中两种情况中的无分形处理表示普通的标签天线，而有分形处理则表示本发明基于分形处理的超高频标签天线 1，根据表 1数据可以看出，本发明的基于分形处理的超高频标签天线 1的谐振频率明显低于无分形处理的金属标签天线，

本领域所公知的辐射频率与波长具有如公式（2) 所示的关系： λ = ~ ，公式（1 )

f ^7

其中 C为光速，为相对介电常数，为谐振频率， A为波长。由公式（1 )可以看出，谐振频率与波长成反比，而这两个参数与标签天线辐射单元尺寸均相关，据标签天线设计原理，标签天线尺寸需满足 1/4波长或者 1/2波长的关系，当/频率降低时 A波长也跟随变大，因此设计的标签天线尺寸也会增加。表 1中无分形处理的标签天线的谐振频率为 1250MHz, 而本发明有分形处理的基于分形处理的超高频标签天线 1的谐振频率为 910 MHz, 将上述数据引入公式（1 ) 即可看出，无分形处理的标签天线在同一谐振频率，如图示的 910 MHz时，其标签天线的尺寸将明显增加，而本发明的基于分形处理的超高频标签天线 1为实现相同谐振频率时，具有明显小于普通标签天线尺寸的优势，其面积可为普通标签天线的 70%。

同时由表 1数据可以看出，有分形处理的本发明的基于分形处理的超高频标签天线 1 的相对带宽为 18.5%，而普通的标签天线的相对带宽则为 10.8%，对于本领域技术人员来讲，相对带宽代表信号带宽与中心频率的比，相同条件下，相对带宽愈大，则表示能够与标签天线兼容的频率范围越大，因此本发明的基于分形处理的超高频标签天线 1与相同尺寸的普通标签天线相比，具有更宽的频率范围。

最后，本发明的基于分形处理的超高频标签天线 1的增益 G为 -14.3dB，相较于无分形处理的普通标签天线的增益 G-12.3dB 明显增加，该列表中的数据尚为相同尺寸辐射单元的增益，而较相同谐振频率 ^时，本发明的基于分形处理的超高频标签天线 1的增益 G 相较普通标签天线的增益 G则会更加明显。而标签天线的读取距离 r的确定一般是依据公式（2) ：

，公式（2) 其中 rmax为最大读取距离， EIRP为等效全向辐射功率， Gtag为标签天线增益，为真空中电磁波波长， η为损耗因子， Pmin为标签芯片的灵敏度。由此可见，当标签增益越大时读取距离越远。

如上述表 1中所示，本发明的基于分形处理的超高频标签天线 1较无分形处理普通标签天线的增益提高了 2dB，根据公式（2)的可以得知，其读取距离提高了 6%。如前所示，上述结果是因两者谐振频率上的差距，如将无分形处理的普通标签天线用其他方式（如刻槽增加天线电长度方式）降低谐振频率至 910MHz时，或直接让无分形处理的普通标签天线响应谐振频率至 910MHz时，其增益会下降 4至 5dB。本发明的基于分形处理的超高频标签天线 1较相同谐振频率的无分形处理普通标签天线的读取距离则会提高 70%左右。由此可见，本发明采用分形处理的基于分形处理的超高频标签天线 1很好的保证了降低天线谐振频率减小尺寸的同时，很大程度的保证了标签天线的读取距离。

基于以上论述的改进，本发明使用分形处理的基于分形处理的超高频标签天线 1解决目前一些标签天线的小型化的难题。将分形化理论运用到的 UHF频段抗金属标签天线中，使标签天线的尺寸进一步小型化，而不影响标签天线的可读性，由此实现使标签天线与使用环境更一体化和隐蔽性，从而使标签天线能够以标签、铭牌或其他装饰物的形式出现在便携式电子产品、便携式设备或其他类似需要识别的物品上，既实现了标签天线的识别作用，又不影响随附资财的美观。

以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与图式，本发明的特征并不局限于此，本发明的所有范围应以下述的范围为准，凡符合于本发明权利要求保护范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，任何熟悉该项技艺者在本发明的领域内，可轻易思及的变化或调整皆可涵盖在以下本发明的权利要求保护范围。

Claims

权利要求

1、一种基于分形处理的超高频标签天线，具有基板（2)、辐射板（3 )以及底板（4)，其特征在于：所述辐射板（3 )具有第一辐射振子单元（31 )和第二辐射振子单元（32) ，所述第一辐射振子单元（31 ) 和所述第二辐射振子单元（32) 之间由芯片（33 ) 相耦接，所述第一辐射振子单元（31 ) 和所述第二辐射振子单元（32) 具有分形结构。

2、如权利要求 1所述的标签天线，其特征在于：所述的分形结构为正方形分形区域 (34) 经过分形、复制和叠加而形成。

3、如权利要求 1所述的标签天线，其特征在于：所述第一辐射振子单元（31 ) 与所述第二辐射振子单元（32) 对称分布。

4、如权利要求 2所述的标签天线，其特征在于：所述的分形结构具有辐射元（311、

321 ) 图案。

5、如权利要求 4所述的标签天线，其特征在于：所述的辐射元（311、 321 ) 图案是在选择区域经过 9等分形成的正方形辐射元（311、 321 ) 。

6、如权利要求 5所述的标签天线，其特征在于：所述的正方形分形区域（34) 的分形过程为对正方形区域 9等分后，蚀刻其中的 4个等分的部分，形成具有正方形辐射元

(311、 321 ) 的正方形分形区域（34) 。

7、如权利要求 5所述的标签天线，其特征在于：所述的正方形辐射元（311、 321 ) 经过二次分形处理，使所述正方形辐射元（311、 321 ) 具有空心结构。

8、如权利要求 6或 7所述的标签天线，其特征在于：将所述的正方形分形区域（34) 进行复制，所述的正方形分形区域（34) 与相邻的正方形分形区域（34'、 34")相邻的一侧的具有相同区域图案的区域重叠，从而叠加形成叠加区域（35 ) 。

9、如权利要求 8所述的标签天线，其特征在于：依次在横向上复制叠加形成的所述叠加区域（35 )，并使相邻两个叠加区域具有相同辐射元（311、 321 )图案的区域相叠加，形成具有分形结构的所述的第一、第二辐射振子单元（31、 32) 。

10、如权利要求 4所述的标签天线，其特征在于：所述的辐射元（311、 321 ) 图案为三角形、矩形、菱形或者圆形的规则的辐射元图案或者是不规则的辐射元图案。

11、如前述权利要求 1至 7任一项所述的标签天线，其特征在于：该标签天线还具有短路结构，所述的短路结构是位于所述基板（2) 的两侧面的短路面（5 )或者是所述基板 (2) 上的导电过孔。