專利名稱：：用于射頻識(shí)別系統(tǒng)的光子帶隙陶瓷科赫分形偶極子天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種偶極子天線，尤其是涉及一種用于射頻識(shí)別系統(tǒng)的光子帶隙陶瓷科赫分形偶極子天線。
背景技術(shù)：
：射頻識(shí)別技術(shù)(RadioFrequencyIdentification,英文縮寫為RFID)是20世紀(jì)90年代開始興起的一種用射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID標(biāo)簽具有體積小、容量大、壽命長(zhǎng)、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，可支持快速讀寫、非可視識(shí)別、移動(dòng)識(shí)別、多目標(biāo)識(shí)別、定位及長(zhǎng)期跟蹤管理等，將此技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、通訊等技術(shù)相結(jié)合，用于物流、制造、公共信息服務(wù)等行業(yè)，可實(shí)現(xiàn)高效管理與運(yùn)作，降低成本。隨著安全軟信息相關(guān)技術(shù)的不斷完善和成熟，RFID系列產(chǎn)業(yè)將成為一個(gè)新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)群，成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)新的增長(zhǎng)點(diǎn)，對(duì)提升社會(huì)信息化水平、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、提高人民生活質(zhì)量、增強(qiáng)公共安全與國(guó)防安全等方面都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，并具有重大的戰(zhàn)略性意義?？梢灶A(yù)計(jì)RFID技術(shù)將成為繼移動(dòng)通訊技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之后又一項(xiàng)影響全球經(jīng)濟(jì)與人類生活的新一代技術(shù)。天線設(shè)計(jì)及制造技術(shù)是射頻識(shí)別技術(shù)的核心關(guān)鍵技術(shù)之一，天線的各項(xiàng)特性及形態(tài)大小，極大程度地影響了射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作性能及應(yīng)用領(lǐng)域，隨著RFID技術(shù)系列應(yīng)用的飛速發(fā)展，人們對(duì)RFID天線在寬帶化、小型化、寬標(biāo)定無(wú)適應(yīng)性、抗破壞性、多頻段多網(wǎng)絡(luò)兼容性等方面提出了更高的要求。天線在RFID系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位，對(duì)其進(jìn)行深入的研究具有重要的參考價(jià)值和實(shí)用意義。20世紀(jì)70年代，法國(guó)數(shù)學(xué)家B.B.Mandelbrot在總結(jié)了自然界中非規(guī)則幾何圖形后，第一次提出了分形這個(gè)概念，認(rèn)為分形幾何學(xué)可以處理自然界中那些極小規(guī)則的構(gòu)型，指出分形幾何將成為研究許多物理現(xiàn)象的有力工具。到了20世紀(jì)80年代，關(guān)于波與分形結(jié)構(gòu)相互作用的研究促進(jìn)了分形電動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，而分形天線正是分形電動(dòng)力學(xué)的眾多應(yīng)用之一。它能夠使得我們有效地設(shè)計(jì)小型化天線或把多個(gè)無(wú)線電通信元件集成到一塊設(shè)備上。分形幾何是通過(guò)迭代產(chǎn)生的具有自相似特性的幾何結(jié)構(gòu)，它的整體與局部之間以及局部與局部之間都具有自相似性，天線的分形設(shè)計(jì)是電磁理論與分形幾何學(xué)的融合。研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)天線相比，分形天線具有小型化、寬頻帶、多頻工作、高輻射電阻、fi加載等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地滿足RFID系統(tǒng)對(duì)天線的要求。射頻識(shí)別系統(tǒng)的常用工作頻段的頻率范圍為0.9020.928GHz，其帶寬要求為26MHz。對(duì)于RFID系統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)要求具有大帶寬、小尺寸，且在整個(gè)方位平面上提供均勻覆蓋，增益在0dB以上?？坪?koch)分形天線是一種典型的分形天線?？坪?koch)分形結(jié)構(gòu)的初始元為一條線段，將其三等分，將中間的一段用夾角為60°的兩條等長(zhǎng)的線段來(lái)代替，即構(gòu)成一階科赫(koch)分形結(jié)構(gòu)。將一階科赫(koch)分形結(jié)構(gòu)的各條線段三等分，將中間的一段用夾角為60°的兩條等長(zhǎng)的線段來(lái)代替，得到二階科赫(koch)分形結(jié)構(gòu)。按此迭代，可生成各高階科赫(koch)分形結(jié)構(gòu)?？坪?koch)分形天線具有良好的寬頻帶特性，在微帶天線中獲得很好的應(yīng)用。此外，它還有助于改善輻射方向圖和減小交叉極化。對(duì)于目前的RFID天線，常規(guī)的微帶天線尺寸明顯過(guò)大，且存在工作帶寬小等缺點(diǎn)，即便通過(guò)插入短路針、使用饋電環(huán)路等技術(shù)來(lái)進(jìn)行改進(jìn)，效果仍不理想。射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，迫切需要一款天線能夠覆蓋0.9020.928GHz工作頻段。偶極子天線具有尺寸小、輻射能力強(qiáng)、全向輻射特性、制造工藝簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)，能夠滿足RFID應(yīng)用系統(tǒng)中對(duì)天線的具體要求。相比于傳統(tǒng)的基底材料，陶瓷基底具有介電常數(shù)高、介質(zhì)損耗小等優(yōu)點(diǎn)，使用陶瓷基底可以有效縮小天線尺寸。光子帶隙(PBG，PhotonicBand-Gap)結(jié)構(gòu)由一種介質(zhì)材料在另一種介質(zhì)材料中周期分布所組成。這種結(jié)構(gòu)可以通過(guò)縮放尺寸關(guān)系應(yīng)用于很寬的頻率范圍，因此近幾年來(lái)微波與毫米波領(lǐng)域的PBG結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來(lái)越引起人們的關(guān)注。在PBG結(jié)構(gòu)中,電磁波經(jīng)周期性介質(zhì)散射后，某些波段電磁波強(qiáng)度會(huì)因破壞性干涉而呈指數(shù)衰減，無(wú)法在該結(jié)構(gòu)中傳播，于是在頻譜上形成帶隙。PBG結(jié)構(gòu)在微波領(lǐng)域,特別是微波電路和天線領(lǐng)域中有著巨大的應(yīng)用價(jià)值，現(xiàn)己被廣泛地應(yīng)用到微波、毫米波波段的電路與器件的設(shè)計(jì)中。合理應(yīng)用光子帶隙結(jié)構(gòu)能夠改善天線的輻射特性，展寬天線的工作帶寬。目前，把科赫(koch)分形貼片、陶瓷基底材料、光子帶隙結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)制作偶極子天線，并應(yīng)用在RFID系統(tǒng)中0.9020.928GHz工作頻段的相關(guān)技術(shù)未見報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種尺寸小、帶寬大、回波損耗較低且具有全向輻射特性的用于射頻識(shí)別系統(tǒng)的光子帶隙陶瓷科赫分形偶極子天線。本發(fā)明設(shè)有陶瓷基板，陶瓷基板的兩面均設(shè)有鍍銀層，其中一面鍍銀層為科赫分形偶極子天線輻射貼片，另一面鍍銀層為矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)。陶瓷基板的相對(duì)介電常數(shù)最好為8±10%。陶瓷基板的形狀優(yōu)選矩形，陶瓷基板的尺寸最好是40mm±lmmXllmm±lmm，厚度為1.0mm士0.05mm?？坪辗中闻紭O子天線輻射貼片由左右對(duì)稱的兩條偶極子臂構(gòu)成，在兩條偶極子臂之間的對(duì)稱中心線上設(shè)有斷開間隙，斷開間隙的兩側(cè)設(shè)有天線饋電點(diǎn)。偶極子臂為至少2階的科赫分形結(jié)構(gòu)。矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)可設(shè)有4行6列共24片矩形片，每行設(shè)有6片矩形片，每列設(shè)有4片矩形片，行與行之間相互平行，列與列之間相互平行，每行中的各片矩形片之間相互平行，每列中的各片矩形片之間相互平行。矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)的各個(gè)矩形片的尺寸相同。每片矩形片的長(zhǎng)度可為4mm士0.1mm，寬度可為lmm土0.05mm。每行中相鄰兩片矩形片的間距可為lmm士0.05mm，每列中相鄰兩片矩形片的間距可為lmm土0.05mm。矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)上邊沿與陶瓷基板上邊沿的距離可為2.5mm土0.1mm，矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)下邊沿與陶瓷基板下邊沿的距離可為1.5mm土0.1mm，矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)左邊沿與陶瓷基板左邊沿的距離可為5.5mm土0.1mm，矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)右邊沿與陶瓷基板右邊沿的距離可為5.5mm土0.1mm。與用于射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)的常規(guī)微帶天線比較，本發(fā)明具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)和顯著的效果尺寸小、帶寬大、輻射特性好，其工作頻帶為0.8411.006GHz，其絕對(duì)帶寬為0.165GHz，其相對(duì)帶寬為17.93%，可完整覆蓋RFID系統(tǒng)中0.9020.928GHz工作頻段。天線尺寸為常規(guī)微帶天線尺寸的10%，達(dá)到了小型化RFID天線的目的，完全可以將其放到RFID標(biāo)簽或讀寫器里。而且還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、全向輻射性能佳和易于集成等優(yōu)點(diǎn)。完全能夠滿足RFID應(yīng)用系統(tǒng)中對(duì)天線的具體要求。圖1為本發(fā)明實(shí)施例的輻射貼片結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例的回波損耗(Sn)性能圖。圖3中的橫坐標(biāo)表示頻率Frequency(GHz)，縱坐標(biāo)表示回波損耗強(qiáng)度Thereturnloss.oftheantenna,。圖4為本發(fā)明實(shí)施例的H面方向圖。坐標(biāo)為極坐標(biāo)。圖5為本發(fā)明實(shí)施例的E面方向圖。坐標(biāo)為極坐標(biāo)。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。參見圖1和2，本發(fā)明設(shè)有雙面鍍銀的陶瓷基板1，陶瓷基板1的一面鍍銀層為輻射貼片，輻射貼片由相同的左偶極子臂21和右偶極子臂22構(gòu)成，左偶極子臂21和右偶極子臂22為二階科赫分形輻射貼片，左偶極子臂21和右偶極子臂22呈左右對(duì)稱布置。陶瓷基板1的另一面鍍銀層為矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)，矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)由4行6列共24片矩形片31組成。陶瓷基板1的相對(duì)介電常數(shù)為8±10%。陶瓷基板1為矩形基板，其尺寸是長(zhǎng)度為40mm士lmm,寬度為llmm士lmm，厚度為1.0mm士0.05mm。輻射貼片采用科赫(koch)分形結(jié)構(gòu)迭代生成方式生成初始元為一條長(zhǎng)度為18mm±lmm線段，將該線段三等分，其中位于中間的線段用夾角為60。的兩條等長(zhǎng)的線段來(lái)代替，可構(gòu)成一階科赫(koch)分形結(jié)構(gòu)。再將一階科赫(koch)分形結(jié)構(gòu)的各條線段三等分，其中位于中間的一段用夾角為60。的兩條等長(zhǎng)的線段來(lái)代替，即得到二階科赫(koch)分形結(jié)構(gòu)。按此迭代，可繼續(xù)生成高階科赫(koch)分形結(jié)構(gòu)。左偶極子臂21和右偶極子臂22的對(duì)稱中心線上設(shè)有斷開間隙A,斷開間隙A的兩側(cè)設(shè)有天線饋電點(diǎn)。本發(fā)明使用時(shí)，將陶瓷基板1設(shè)有矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)的一面作為天線接地層。矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)設(shè)有4行6列共24片矩形片，每行設(shè)有6片矩形片，每列設(shè)有4片矩形片，行與行之間相互平行，列與列之間相互平行，每行中的各矩形片之間相互平行，每列中的各片矩形片之間相互平行。矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)的各矩形片3的尺寸相同。每片矩形片的長(zhǎng)度為4mm士0.1mm,寬度為lmm土0.05mm。每行中相鄰兩片矩形片的間距最好為lmm士0.05mm，每列中相鄰兩片矩形片的間距為lmm士0.05mm。矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)上邊沿與陶瓷基板上邊沿的距離為2.5mm土0.1mm,矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)下邊沿與陶瓷基板下邊沿的距離為1.5mm土0.1mm，矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)左邊沿與陶瓷基板左邊沿的距離為5.5mm土0.1mm，矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)右邊沿與陶瓷基板右邊沿的距離為5.5mm士0.1mm。表1給出本發(fā)明的制造加工誤差對(duì)天線特性的影響情況。圖3給出本發(fā)明實(shí)施例的回波損耗(Su)性能圖。從圖3可以看出，天線的工作頻帶覆蓋了0.8411.006GHz，工作頻帶內(nèi)的回波損耗都在一IOdB以下，工作頻帶內(nèi)的最小回波損耗為一18.38dB。天線回波損耗(Su)性能在整個(gè)通頻帶內(nèi)滿足要求，天線的絕對(duì)帶寬為0.165GHz,其相對(duì)帶寬為17.93%,遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)的微帶天線，可完整覆蓋RFID系統(tǒng)中的0.9020.928GHz工作頻段。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>注1.表中數(shù)據(jù)已有一定冗余，各參數(shù)之間有一定關(guān)聯(lián)性，給出的是均衡特性，可根據(jù)需求特殊設(shè)計(jì)；2.需采用高性能微波低耗雙面鍍銀陶瓷基板，tgS<0.002。參見圖4，由圖4可見，天線有兩個(gè)瓣，一個(gè)在300°60°之間，另一個(gè)在120°240°之間。兩個(gè)瓣基本上覆蓋了大部分角度，所以本發(fā)明具有全向輻射特性。參見圖5，由圖5可見，天線主瓣在300°60°之間。將圖4與圖5對(duì)比可以看出，方向圖上半部分的形狀基本一致。從天線回波損耗(Su)性能圖可以看出，天線已經(jīng)覆蓋了0.8411.006GHz頻帶，達(dá)到了射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)對(duì)于天線的要求。從天線的H面和E面方向圖可以看出，天線具有全向輻射特性。權(quán)利要求1、用于射頻識(shí)別系統(tǒng)的光子帶隙陶瓷科赫分形偶極子天線，其特征在于設(shè)有陶瓷基板，陶瓷基板的兩面均設(shè)有鍍銀層，其中一面鍍銀層為科赫分形偶極子天線輻射貼片，另一面鍍銀層為矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)。2、如權(quán)利要求1所述的用于射頻識(shí)別系統(tǒng)的光子帶隙陶瓷科赫分形偶極子天線，其特征在于陶瓷基板的相對(duì)介電常數(shù)為8±10%。3、如權(quán)利要求1或2所述的用于射頻識(shí)別系統(tǒng)的光子帶隙陶瓷科赫分形偶極子天線，其特征在于陶瓷基板的形狀為矩形。4、如權(quán)利要求1或2所述的用于射頻識(shí)別系統(tǒng)的光子帶隙陶瓷科赫分形偶極子天線，其特征在于陶瓷基板的尺寸是40mm士lmmXllmmilmm，厚度為1.0mm±0.05mm。5、如權(quán)利要求1所述的用于射頻識(shí)別系統(tǒng)的光子帶隙陶瓷科赫分形偶極子天線，其特征在于科赫分形偶極子天線輻射貼片由左右對(duì)稱的兩條偶極子臂構(gòu)成，在兩條偶極子臂之間的對(duì)稱中心線上設(shè)有斷開間隙，斷開間隙的兩側(cè)設(shè)有天線饋電點(diǎn)。6、如權(quán)利要求5所述的用于射頻識(shí)別系統(tǒng)的光子帶隙陶瓷科赫分形偶極子天線，其特征在于偶極子臂為至少2階的科赫分形結(jié)構(gòu)。7、如權(quán)利要求l所述的用于射頻識(shí)別系統(tǒng)的光子帶隙陶瓷科赫分形偶極子天線，其特征在于矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)設(shè)有4行6列共24片矩形片，每行設(shè)有6片矩形片，每列設(shè)有4片矩形片，行與行之間相互平行，列與列之間相互平行，每行中的各片矩形片之間相互平行，每列中的各片矩形片之間相互平行。8、如權(quán)利要求7所述的用于射頻識(shí)別系統(tǒng)的光子帶隙陶瓷科赫分形偶極子天線，其特征在于矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)的各個(gè)矩形片的尺寸相同。9、如權(quán)利要求7或8所述的用于射頻識(shí)別系統(tǒng)的光子帶隙陶瓷科赫分形偶極子天線，其特征在于每片矩形片的長(zhǎng)度為4mm士0.1mtn，寬度為lmm士05mm，每行中相鄰兩片矩形片的間距為lmm土0.05mm，每列中相鄰兩片矩形片的間距為lmm士0.05mm。10、如權(quán)利要求1或7或8所述的用于射頻識(shí)別系統(tǒng)的光子帶隙陶瓷科赫分形偶極子天線，其特征在于矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)上邊沿與陶瓷基板上邊沿的距離為2.5mm土0.1mm，矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)下邊沿與陶瓷基板下邊沿的距離為1.5mm土0.1mm，矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)左邊沿與陶瓷基板左邊沿的距離.1mm，矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)右邊沿與陶瓷基板右邊沿的距離為5.5mm土0.1mm。全文摘要用于射頻識(shí)別系統(tǒng)的光子帶隙陶瓷科赫分形偶極子天線，涉及一種偶極子天線。提供一種尺寸小、帶寬大、回波損耗較低且具有全向輻射特性的用于射頻識(shí)別系統(tǒng)的光子帶隙陶瓷科赫分形偶極子天線。設(shè)有陶瓷基板，陶瓷基板的兩面均設(shè)有鍍銀層，其中一面鍍銀層為科赫分形偶極子天線輻射貼片，另一面鍍銀層為矩形陣列光子帶隙結(jié)構(gòu)。尺寸小、帶寬大、輻射特性好，工作頻帶為0.841～1.006GHz，絕對(duì)帶寬為0.165GHz，相對(duì)帶寬為17.93％，可完整覆蓋RFID系統(tǒng)中0.902～0.928GHz工作頻段。天線尺寸為常規(guī)微帶天線尺寸的10％，達(dá)到小型化RFID天線的目的，可將其放到RFID標(biāo)簽或讀寫器里。文檔編號(hào)H01Q9/26GK101533951SQ20091011145公開日2009年9月16日申請(qǐng)日期2009年4月9日優(yōu)先權(quán)日2009年4月9日發(fā)明者周建華,徐偉明,斌林,游佰強(qiáng),熊兆賢,鄭建森申請(qǐng)人:廈門大學(xué)