0 引言

　　電子商務(wù)作為一個(gè)新的業(yè)務(wù)形態(tài)正逐步成為商業(yè)的主流，電子商務(wù)企業(yè)開展業(yè)務(wù)過程中市場(chǎng)營(yíng)銷和推廣活動(dòng)面對(duì)的是全網(wǎng)用戶，龐大的客戶群會(huì)在活動(dòng)的短時(shí)間內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生大量的物流需求。在2012年淘寶雙11節(jié)的促銷活動(dòng)中，當(dāng)日產(chǎn)生8 000多萬單的快件，而目前我國(guó)整個(gè)物流行業(yè)單日運(yùn)力之和僅有1 600萬~2 000萬單左右，沒有更加科技化和自動(dòng)化手段支持的物流系統(tǒng)無法滿足電子商務(wù)物流業(yè)務(wù)的需求，無法有效支撐網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。借助電子標(biāo)簽技術(shù)的現(xiàn)代化電子商務(wù)物流揀貨系統(tǒng)需要逐步建設(shè)和推廣。自動(dòng)化的電子標(biāo)簽揀貨系統(tǒng)一般包括主機(jī)、控制器、電子標(biāo)簽、系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫、機(jī)械設(shè)備等，通過系統(tǒng)化的統(tǒng)一服務(wù)，可以大幅度地提高分揀效率，減少誤撿率，從而提高電子商務(wù)物流的整體效率。

　　電子標(biāo)簽即射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)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)。與傳統(tǒng)的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)如條形碼相比，RFID技術(shù)具有很多優(yōu)勢(shì)：可以定向或不定向的遠(yuǎn)距離讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，無需保持識(shí)別的目標(biāo)可見，可以透過外部非屏蔽材料讀取數(shù)據(jù)，可以在復(fù)雜環(huán)境下工作，可以同時(shí)處理多個(gè)電子標(biāo)簽，可以儲(chǔ)存的信息量較大等等。天線是一種將無線電收發(fā)信機(jī)的射頻功率信號(hào)以電磁波的形式接收或輻射出去的器件，天線所形成的電磁場(chǎng)強(qiáng)度和有效作用范圍決定了RFID 系統(tǒng)的識(shí)別距離和范圍，因此天線設(shè)計(jì)及制造技術(shù)是RFID的核心關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　1 雙頻RFID系統(tǒng)對(duì)天線的要求

　　當(dāng)前，國(guó)際上RFID 系統(tǒng)兩個(gè)常用工作頻段的頻率范圍分別為0.902~0.928 GHz 和2.4~2.483 5 GHz,其帶寬要求分別為26 MHz和83.5 MHz.由于傳統(tǒng)的天線只能工作在單一的頻段范圍內(nèi)，應(yīng)用傳統(tǒng)天線的RFID 標(biāo)簽只能被工作在某一頻率上的讀寫設(shè)備所讀取，若更換不同頻率的讀寫設(shè)備，則標(biāo)簽失效，這限制了RFID 系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。而應(yīng)用了雙頻天線的RFID 標(biāo)簽使問題變得簡(jiǎn)單，它可以被工作在兩個(gè)頻段的讀寫設(shè)備識(shí)別，具有良好的頻率兼容性?，F(xiàn)有的雙頻RFID天線兩個(gè)工作頻段的性能常出現(xiàn)不平衡，呈現(xiàn)“一主一從”的輻射特性，天線在兩個(gè)工作頻段的回波損耗和帶寬有較大差異，限制了雙頻RFID天線的應(yīng)用。

　　一款性能良好的雙頻RFID 天線，必須能夠同時(shí)覆蓋現(xiàn)代RFID系統(tǒng)兩個(gè)常用工作頻段：0.902~0.928 GHz和2.4~2.483 5 GHz,且在兩個(gè)工作頻段都有較好的性能，天線 的 回 波 損 耗 (S11) 值 在 兩 個(gè) 工 作 頻 帶 內(nèi) 都 應(yīng)在-10 dB以下，低頻段的回波損耗最小值應(yīng)小于-20 dB,工作帶寬應(yīng)大于100 MHz;高頻段的回波損耗最小值應(yīng)小于-20 dB,工作帶寬應(yīng)大于200 MHz;天線在兩個(gè)工作頻段都應(yīng)有全向輻射特性。

　　2 π型分形折疊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

　　分形天線是把天線輻射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為分形結(jié)構(gòu)的天線，其整體與局部以及局部和局部之間都具有自相似性，多層次的自相似性使得分形天線上的射頻電流得到均勻分布，因此天線具備寬頻工作特性。

　　π型分形結(jié)構(gòu)是一種線式分形結(jié)構(gòu)，其迭代構(gòu)造過程如下：將一條一定長(zhǎng)度的直線段分為三段，分別在左右兩段橫向線段和中段橫向線段間插入兩段縱向線段，即構(gòu)成一個(gè)1 階π型折線。對(duì)1 階π型分形折線的所有直線段依次進(jìn)行π型分形折疊，則生成了2 階π型分形折線，如圖1所示。

　　3 階雙頻π型分形折疊偶極子天線的設(shè)計(jì)與制作

　　在遠(yuǎn)距離耦合的RFID 應(yīng)用系統(tǒng)中，最常用的是偶極子天線。典型的偶極子天線由兩段同樣粗細(xì)和等長(zhǎng)的直導(dǎo)線排成一條直線構(gòu)成。為了縮小天線的尺寸，使之可以放進(jìn)RFID 標(biāo)簽或讀寫器中，采用π型分形折疊技術(shù)對(duì)偶極子天線臂進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

　　在設(shè)計(jì)中，在一個(gè)偶極子天線的橫向臂上添加兩個(gè)折疊臂。折疊臂的形狀為變形π型分形折疊結(jié)構(gòu)，如圖2所示。使用FR4介質(zhì)板作為天線的介質(zhì)基板。介質(zhì)板厚度為h = 1.5 mm,相對(duì)介電常數(shù)εr = 3.7.天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，天線尺寸為95 mm×40 mm.

　　在忽略天線粗細(xì)的橫向影響下，偶極子天線設(shè)計(jì)可以取天線臂的長(zhǎng)度為λ/4 的整數(shù)倍。在設(shè)計(jì)中，為了使偶極子天線有更大的帶寬和更好的輻射特性，采用了全波偶極子天線的設(shè)計(jì)方案。偶極子天線臂需滿足以下條件：

　　圖3 所示的雙頻天線結(jié)構(gòu)可以看作是兩個(gè)分別工作在不同頻段的折疊偶極子天線的疊加。根據(jù)式(1)可得，工作在0.902~0.928 GHz 頻段的天線臂總長(zhǎng)約為86 mm,由一個(gè)橫向臂和三個(gè)折疊臂相融合而成，橫向臂長(zhǎng)度為18 mm,三個(gè)折疊臂的參數(shù)如圖3(b)所示，且q1 =4 mm,q2 = 3mm,q3 =1.5 mm;工作在2.4~2.483 5 GHz頻段的天線臂總長(zhǎng)約為32 mm,由一個(gè)橫向臂和兩個(gè)折疊臂相融合而成，橫向臂長(zhǎng)度為4 mm,兩個(gè)折疊臂的參數(shù)如圖3(c)所示，且q1 = 2.5 mm,q2 = 1 mm.在設(shè)計(jì)過程中，在偶極子天線的下方添加了鏡像補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來改善天線性能，其尺寸結(jié)構(gòu)與天線的饋電輻射臂完全一致。合理設(shè)置偶極子天線臂與鏡像補(bǔ)償結(jié)構(gòu)之間的距離，可使鏡像補(bǔ)償結(jié)構(gòu)上的電流與有源偶極子天線臂上的電流有相同或相近的相位。這時(shí)，空間任一點(diǎn)的場(chǎng)都是天線直接激發(fā)的場(chǎng)與鏡像補(bǔ)償結(jié)構(gòu)激發(fā)的二次場(chǎng)的同相疊加，天線的輻射性能將得到較大的提高。

　　根據(jù)上文所述設(shè)計(jì)方案，用腐蝕工藝制板法制作出了天線樣品，如圖4所示。

　　用AV3619 系列射頻一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量了天線的回波損耗，測(cè)量結(jié)果如圖5(a)所示，天線的低頻段諧振頻率在0.915 GHz處，諧振頻率處的回波損耗S11 值(S11 最小值)為-16.40 dB,天線的工作帶寬為0.274 GHz;天線的高頻段諧振頻率在2.415 GHz處，諧振頻率處的回波損耗S11 值(S11 最小值)為-22.35 dB,天線的工作帶寬為0.217 GHz.

　　搭建開放場(chǎng)區(qū)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)得天線在0.915 GHz和2.415 GHz時(shí)的方向圖如圖5(b)，圖5(c)所示。天線低頻段E面方向圖有兩個(gè)瓣，一個(gè)在310°~60°之間，另一個(gè)在130°~230°之間，低頻段H面方向圖全向覆蓋;天線高頻段E面方向圖有兩個(gè)瓣，一個(gè)在310°~75°之間，另一個(gè)在130°~250°之間;高頻段H面方向圖有兩個(gè)瓣，一個(gè)在350°~100°之間，另一個(gè)在160°~270°之間。兩個(gè)瓣基本上覆蓋大部分角度，該天線在兩個(gè)工作頻段均具有全向輻射特性，但天線在高頻段輻射強(qiáng)度不夠均勻，有一定的方向性。

　　4 階雙頻π型分形折疊偶極子天線的設(shè)計(jì)與制作

　　上節(jié)中設(shè)計(jì)的1階雙頻π型分形折疊偶極子天線基本滿足了設(shè)計(jì)要求，但在低頻段回波損耗最小值偏高;在高頻段輻射強(qiáng)度不夠均勻，有一定的方向性，還需要進(jìn)一步改進(jìn)。構(gòu)成天線臂的π型分形折疊是一種線分形結(jié)構(gòu)，高階的線分形結(jié)構(gòu)具有更好的自相似特性，由其組成的天線將具備更好的性能。因此在設(shè)計(jì)改進(jìn)型天線結(jié)構(gòu)時(shí)，使用2階π型分形折疊結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)天線的折疊臂。2階π型分形折疊結(jié)構(gòu)由一條直線段經(jīng)過兩次π型分形折疊變換得到，第一次變換得到如圖2所示的變形π型分形折疊結(jié)構(gòu)，再將其所有直線段依次迭代生成2階π型分形折線結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)中，使用FR4介質(zhì)板作為天線的介質(zhì)基板。介質(zhì)板厚度為h = 1.5 mm,相對(duì)介電常數(shù)εr = 3.7 .天線尺寸為66 mm×45 mm.天線結(jié)構(gòu)如圖6所示。

　　天線整體可以看作是兩個(gè)分別工作在不同頻段的折疊偶極子天線的疊加。根據(jù)式(1)可得，工作在0.902~0.928 GHz 頻段的天線臂總長(zhǎng)約為86 mm,由一個(gè)橫向臂和一個(gè)折疊臂相融合而成，橫向臂長(zhǎng)度為15.25 mm,折疊臂由一個(gè)原長(zhǎng)度為21 mm的直線段經(jīng)過兩次π型分形折疊變換得到;工作在2.4~2.483 5 GHz頻段的天線臂總長(zhǎng)約為32 mm,由一個(gè)橫向臂和一個(gè)折疊臂相融合而成，橫向臂長(zhǎng)度為3.25 mm,折疊臂由一個(gè)原長(zhǎng)度為9 mm的直線段經(jīng)過兩次π型分形折疊變換得到。在設(shè)計(jì)過程中，依然在天線輻射臂下方添加了鏡像補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來改善天線性能。

　　根據(jù)上文所述設(shè)計(jì)方案，用腐蝕工藝制板法制作出了天線樣品，如圖7所示。

　　天線的回波損耗測(cè)量結(jié)果如圖8(a)所示，天線的低頻段諧振頻率在0.90 GHz 處，諧振頻率處的回波損耗S11 值(S11 最小值)為-21.42 dB,天線的工作帶寬為0.204 GHz;天線的高頻段諧振頻率在2.43 GHz處，諧振頻率處的回波損耗S11 值(S11 最小值)為-21.36 dB,天線的工作帶寬為0.241 GHz.

　　測(cè)得天線在0.90 GHz 和2.43 GHz 時(shí)的方向圖如圖8(b)，圖8(c)所示。天線低頻段E 面方向圖有兩個(gè)瓣，一個(gè)在310°~50°之間，另一個(gè)在130°~240°之間，兩個(gè)瓣基本上覆蓋大部分角度，低頻段H面方向圖全向覆蓋;天線高頻段E面方向圖有兩個(gè)瓣，一個(gè)在310°~70°之間，另一個(gè)在110°~230°之間，兩個(gè)瓣基本上覆蓋大部分角度，高頻段H面方向圖全向覆蓋。該天線在兩個(gè)工作頻段均具有全向輻射特性。

　　5 結(jié)論

　　本文針對(duì)電子商務(wù)物流系統(tǒng)電子標(biāo)簽的天線雙頻工作及各個(gè)工作頻段性能平衡的要求，分別采用1階π型分形折疊結(jié)構(gòu)和2階π型分形折疊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了兩款能夠雙頻帶工作的分形天線，用腐蝕工藝制板法制作了天線樣品，并對(duì)天線的回波損耗和方向圖特性進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，兩款天線的回波損耗 (S11)值在兩個(gè)5 結(jié)論本文針對(duì)電子商務(wù)物流系統(tǒng)電子標(biāo)簽的天線雙頻工作及各個(gè)工作頻段性能平衡的要求，分別采用1階π型分形折疊結(jié)構(gòu)和2階π型分形折疊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了兩款能夠雙頻帶工作的分形天線，用腐蝕工藝制板法制作了天線樣品，并對(duì)天線的回波損耗和方向圖特性進(jìn)行了測(cè)試。

　　測(cè)試結(jié)果顯示，兩款天線的回波損耗 (S11)值在兩個(gè)工作頻帶內(nèi)都在-10 dB 以下，天線完全覆蓋了0.902~0.928 GHz 和2.4~2.483 5 GHz 兩個(gè)工作頻段;兩款天線低頻段的工作帶寬都大于100 MHz,高頻段的工作帶寬應(yīng)都大于200 MHz;兩款天線在兩個(gè)工作頻段都具有全向輻射特性。1階π型分形天線在低頻段由于制作公差造成了天線輕度失配，回波損耗最小值偏高;在高頻段輻射強(qiáng)度不夠均勻，有一定的方向性。作為改進(jìn)設(shè)計(jì)的2階π型分形天線解決了上述問題，在縮小天線尺寸的同時(shí)降低了天線低頻段的回波損耗最小值，且使天線在高頻段的輻射強(qiáng)度分布更加均勻，全向輻射特性更好。該款天線完全實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，在兩個(gè)工作頻段都有較好的性能，且工作性能平衡。