基于Hilbert分形结构的标签天线设计

依次为：1，3.4，4.4，5.4，仿真算得的回波损耗情况如图6所示，方向图的情况如图7所示。

　　图6中，最右侧的谐振点(红线)表示空气中的介电常数情况，随着相对介电常数的增大，谐振频率在减小。不同相对介电常数下两谐振点的频率比值约 为1.85，基本维持不变。由此可以确定，介电常数不影响分形天线谐振频点的分布，谐振频点的分布是由天线的结构决定的。不同介电常数的S11曲线只是沿 着频率轴发生了平移，但曲线的形状近乎相同。

　　图7是不同相对介电常数在第一频点的辐射方向图，由图7可见，相对介电常数的大小对相同结构的天线方向图不产生影响。

　　3.2 基板厚度对天线性能影响的研究

　　由于天线是蚀刻在基板上的，考虑到电子标签应用的便携性和制作的成本，在保证天线具有良好性能的条件下，选择适当的基板厚度是必要的。这里假设相对介电常数为4.4保持不变。

　　图8绘制了在空气中，基板厚度分别为0，0.2，0.4，0.6和0.8 mm时的反射系数曲线，从图8可以看到，随着基板厚度的增加，天线的谐振频率点也有所下降，且曲线的形状保持不变，只是沿着频率轴左移。从图8和图6的对 比不难发现，基板厚度的变化，对第二谐振频率点的反射系数的影响不大，而相对介电常数的变化在使谐振频率减小的同时，对第二谐振频点的反射系数影响较大。 介质厚度对天线辐射图的影响如图9所示。

从表1可以看到，高频点与低频点的比值也约为1.85，保持恒定，可说明天线谐振点的分布也不是由基板厚度决定而是由天线的结构决定的。

　　3.3 外围封装材料对天线的影响

　　当标签天线设计之后，在实际应用中，需要将电子标签封装起来使用。这样，封装材料的介电常数和厚度也会对天线性能产生一定的影响。有关这种影响的定量分析，可采用与以上分析类似的方法建模仿真并通过实测检验。

　　4 实际应用

　　本文根据Hilbert分形的原理设计了如图2所示的电子标签，第一谐振频率为0.93 GHz，但是未考虑基板材料的影响。这样，将天线蚀刻在相对介电常数为4.4，厚度为0.2 mm的FR4材料上，用远望谷公司的XCRF-804阅读器读得距离约0.5 m左右(功率20 dBm)。鉴于此将天线结构进行改进，如图10(b)所示。

　　这里，基板采用相对介电常数为4.4，厚度为0.2 mm的FR4-epoxy，从图10可以看到，由于外界材料的影响，天线的尺寸逐渐减小。

　　从图11可以看到，天线在谐振频率0.915 GHz处的S11=-214.71 dB，而且具有较好的带宽，驻波比为1.12，天线的辐射方向图依然具有普通偶极子的低方向性。经过实际测试，在20 dBm的功率条件下，阅读距离可以达到4 m左右，与仿真不带介质基板的天线相比，阅读距离有了很大提高，但是如果进行包装测试，则效果又会很差，这样，就必须进一步修改天线的尺寸。这里，基板的 采用相对介电常数为4.4，厚度为0.2 mm的FR4-epoxy，实际中的封装材料为TPU，这里采用相对介电常数为4的Polyimidequartz近似。天线上表面的厚度为1 mm，下表面的厚度为0.7 mm，如图10(c)所示模型。仿真结果如图12所示。

　　从图12可以看到，反射系数为S11=-31.41 dB,，带宽有了更进一步提高。驻波比在谐振频率处为1.06，可以看到，在谐振频率915 MHz处，标签天线和标签芯片实现了较好的共轭匹配，而且方向图几乎没有变化。

　　从上面的仿真结果可以看出，尽管电子标签的阻抗匹配，带宽和辐射方向都很好，但是从仿真结果可以发现，天线的增益很小约-4 dB，所以，在要求较高的条件下使用时，还必须对天线进行修改，以提高天线的增益。

　　5 结语

　　在电子标签设计中，综合考虑基板材料、封装材料对天线的影响是必要的。在仿真中考虑这些因素，可以减少在实际调试中对天线结构的修改。

　　经过仿真和实际测试，发现介质基板，封装材料的相对介电常数和材料的厚度对天线谐振频率点都有较大影响。即谐振频率点随着介电常数和基板厚度的 增大而减小，对于分形天线，它们只影响谐振频点的下降，但不会影响各个谐振频点的相对位置。也就是说，分形天线具有多谐振点特征，但是多个谐振频率之间的 关系是由分形的结构确定的，而不是由材料的介电常数和介质厚度确定的。相对介电常数和材料的厚度对天线的辐射方向图和天线增益不产生影响， 这种性质也可用于天线小型化的设计中。