0 引言

　　電子商務作為一個新的業(yè)務形態(tài)正逐步成為商業(yè)的主流，電子商務企業(yè)開展業(yè)務過程中市場營銷和推廣活動面對的是全網用戶，龐大的客戶群會在活動的短時間內同時產生大量的物流需求。在2012年淘寶雙11節(jié)的促銷活動中，當日產生8 000多萬單的快件，而目前我國整個物流行業(yè)單日運力之和僅有1 600萬~2 000萬單左右，沒有更加科技化和自動化手段支持的物流系統(tǒng)無法滿足電子商務物流業(yè)務的需求，無法有效支撐網絡經濟的發(fā)展。借助電子標簽技術的現(xiàn)代化電子商務物流揀貨系統(tǒng)需要逐步建設和推廣。自動化的電子標簽揀貨系統(tǒng)一般包括主機、控制器、電子標簽、系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫、機械設備等，通過系統(tǒng)化的統(tǒng)一服務，可以大幅度地提高分揀效率，減少誤撿率，從而提高電子商務物流的整體效率。

　　電子標簽即射頻識別(RFID)技術是20 世紀90 年代開始興起的一種用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術。與傳統(tǒng)的自動識別系統(tǒng)如條形碼相比，RFID技術具有很多優(yōu)勢：可以定向或不定向的遠距離讀取或寫入數(shù)據(jù)，無需保持識別的目標可見，可以透過外部非屏蔽材料讀取數(shù)據(jù)，可以在復雜環(huán)境下工作，可以同時處理多個電子標簽，可以儲存的信息量較大等等。天線是一種將無線電收發(fā)信機的射頻功率信號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強度和有效作用范圍決定了RFID 系統(tǒng)的識別距離和范圍，因此天線設計及制造技術是RFID的核心關鍵技術之一。

　　1 雙頻RFID系統(tǒng)對天線的要求

　　當前，國際上RFID 系統(tǒng)兩個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，應用傳統(tǒng)天線的RFID 標簽只能被工作在某一頻率上的讀寫設備所讀取，若更換不同頻率的讀寫設備，則標簽失效，這限制了RFID 系統(tǒng)的應用范圍。而應用了雙頻天線的RFID 標簽使問題變得簡單，它可以被工作在兩個頻段的讀寫設備識別，具有良好的頻率兼容性。現(xiàn)有的雙頻RFID天線兩個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天線的應用。

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

　　2 π型分形折疊結構簡介

　　分形天線是把天線輻射結構設計為分形結構的天線，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型分形結構是一種線式分形結構，其迭代構造過程如下：將一條一定長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，即構成一個1 階π型折線。對1 階π型分形折線的所有直線段依次進行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計與制作

　　在遠距離耦合的RFID 應用系統(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和等長的直導線排成一條直線構成。為了縮小天線的尺寸，使之可以放進RFID 標簽或讀寫器中，采用π型分形折疊技術對偶極子天線臂進行了改進設計。

　　在設計中，在一個偶極子天線的橫向臂上添加兩個折疊臂。折疊臂的形狀為變形π型分形折疊結構，如圖2所示。使用FR4介質板作為天線的介質基板。介質板厚度為h = 1.5 mm,相對介電常數(shù)εr = 3.7.天線的結構示意圖如圖3所示，天線尺寸為95 mm×40 mm.

　　在忽略天線粗細的橫向影響下，偶極子天線設計可以取天線臂的長度為λ/4 的整數(shù)倍。在設計中，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計方案。偶極子天線臂需滿足以下條件：

　　圖3 所示的雙頻天線結構可以看作是兩個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 頻段的天線臂總長約為86 mm,由一個橫向臂和三個折疊臂相融合而成，橫向臂長度為18 mm,三個折疊臂的參數(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頻段的天線臂總長約為32 mm,由一個橫向臂和兩個折疊臂相融合而成，橫向臂長度為4 mm,兩個折疊臂的參數(shù)如圖3(c)所示，且q1 = 2.5 mm,q2 = 1 mm.在設計過程中，在偶極子天線的下方添加了鏡像補償結構來改善天線性能，其尺寸結構與天線的饋電輻射臂完全一致。合理設置偶極子天線臂與鏡像補償結構之間的距離，可使鏡像補償結構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，空間任一點的場都是天線直接激發(fā)的場與鏡像補償結構激發(fā)的二次場的同相疊加，天線的輻射性能將得到較大的提高。

　　根據(jù)上文所述設計方案，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絡分析儀測量了天線的回波損耗，測量結果如圖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.

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

　　4 階雙頻π型分形折疊偶極子天線的設計與制作

　　上節(jié)中設計的1階雙頻π型分形折疊偶極子天線基本滿足了設計要求，但在低頻段回波損耗最小值偏高;在高頻段輻射強度不夠均勻，有一定的方向性，還需要進一步改進。構成天線臂的π型分形折疊是一種線分形結構，高階的線分形結構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。因此在設計改進型天線結構時，使用2階π型分形折疊結構來設計天線的折疊臂。2階π型分形折疊結構由一條直線段經過兩次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型分形折疊結構，再將其所有直線段依次迭代生成2階π型分形折線結構。在設計中，使用FR4介質板作為天線的介質基板。介質板厚度為h = 1.5 mm,相對介電常數(shù)εr = 3.7 .天線尺寸為66 mm×45 mm.天線結構如圖6所示。

　　天線整體可以看作是兩個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 頻段的天線臂總長約為86 mm,由一個橫向臂和一個折疊臂相融合而成，橫向臂長度為15.25 mm,折疊臂由一個原長度為21 mm的直線段經過兩次π型分形折疊變換得到;工作在2.4~2.483 5 GHz頻段的天線臂總長約為32 mm,由一個橫向臂和一個折疊臂相融合而成，橫向臂長度為3.25 mm,折疊臂由一個原長度為9 mm的直線段經過兩次π型分形折疊變換得到。在設計過程中，依然在天線輻射臂下方添加了鏡像補償結構來改善天線性能。

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

　　天線的回波損耗測量結果如圖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.

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

　　5 結論

　　本文針對電子商務物流系統(tǒng)電子標簽的天線雙頻工作及各個工作頻段性能平衡的要求，分別采用1階π型分形折疊結構和2階π型分形折疊結構，設計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，并對天線的回波損耗和方向圖特性進行了測試。測試結果顯示，兩款天線的回波損耗 (S11)值在兩個5 結論本文針對電子商務物流系統(tǒng)電子標簽的天線雙頻工作及各個工作頻段性能平衡的要求，分別采用1階π型分形折疊結構和2階π型分形折疊結構，設計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，并對天線的回波損耗和方向圖特性進行了測試。

　　測試結果顯示，兩款天線的回波損耗 (S11)值在兩個工作頻帶內都在-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都大于200 MHz;兩款天線在兩個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;在高頻段輻射強度不夠均勻，有一定的方向性。作為改進設計的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度分布更加均勻，全向輻射特性更好。該款天線完全實現(xiàn)了設計要求，在兩個工作頻段都有較好的性能，且工作性能平衡。