0 引 言

在某些场合，迫切需要降低安装传感器的配电总量，从而降低成本[1～3]。尤其随着无线通信元件成本下降，很多用户开始寻找无源无线的解决方案。基于声表面波(surface acoustic wave,SAW)技术的无源无线传感器也逐渐进入了人们的视线。

SAW无源无线传感器通常采用传统的偶极子天线和螺旋天线[4]等，但在金属平板结构件的应变、高温等恶劣情况下，不仅需要考虑传感器天线的增益变化，而且对天线的尺寸和轮廓提出了更为严苛的限制。而对于微带天线来说，基于其本身所具有的一维特性，使得其具有低轮廓，易共形、易集成的特点，更适合应用于金属件的应用环境中。

本文针对这种应用环境，研究了一种基于Minkowski分形结构的微带贴片天线，将分形结构应用于SAW无线无源传感器天线设计中，实现了天线的小型化。

1 Minkowski分形边界

分形结构[5]通常按照确定的比例因子对初始单元进行自相似迭代生成，初始单元决定了分形图形的框架，迭代单元规定了分形内部结构。

两点法生成Minkowski[6]分形环方法：首先构造一个初始单元与生成单元，初始单元为原始结构，生成单元则定义了分形的变形方式。如图1所示，设复平面上给出两点，其坐标为Z0和Z1,上标“0”为初始单元，“1”表示生成单元；下标表示点的顺序。

图1 Minkowski的初始单元和生成单元

初始单元设生成单元使

基片选用相对介质常数为4.4的FR4环氧树脂板。对于工作于915 MHz的微带方形贴片天线，由式(1)、式(2)可以计算得出方形微带贴片天线的长度为78 mm。该尺寸对于声表面波无源无线传感器过大，需要对尺寸进行缩小。

(1)

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定义了生成单元各线段与初始单元，求得的结果采用模与辐角的形式，得

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式中 θ0=θ4=0,θ0=arctan(α/2)。α为缺口深度，α定义不同的值对分形维数会产生影响，而分形维数决定了分形的填充性，因此，缺口深度α和分形环的总周长共同影响着分形环的填充面积。

4.破膜引苗 播种12—15天左右，幼苗长出2—3片真叶，且幼苗叶片顶膜后及时破膜引苗。不及时破膜会造成烧苗现象。

天线在915 MHz增益仿真结果如图5所示，图5(a)和图5(b)的E面主射方向分别采用了theta(θ)=0°及theta(θ)=90°。天线在915 MHz主射方向theta(θ)=0°时H面的增益仿真结果如图5(c)所示。

Minkowski分形环形成过程如图2所示。将初始单元换成生成单元，即可得到一阶Minkowski曲线。通过改变α值，可以得到不同的1阶Minkowski曲线 M1。将M1的所有直线边均换成生成单元，按照相同的 值继续迭代生成2阶Minkowski曲线M2。4条Minkowski曲线围成Minkowski分形环,形成一条处处连续处处不可微的理想2阶Minkowski分形曲线。

图2 Minkowski分形环的形成过程

2 设计与仿真

本文针对工作频率为915 MHz，应用于金属背景下的SAW传感器，设计了尺寸小于50 mm×50 mm，轮廓低于1.5 mm的天线，天线-10 dB带宽不低于10 MHz。考虑到SAW传感器工作于特高频(ultra high frequency,UHF)的无线电波低频段，针对以上要求，考虑微带天线，并需要在小型化的前提下尽量提高天线的增益。由微带贴片天线长度公式可得

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(9)

式中 λ为谐振频率处的波长；εre为相对介电常数。

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通过HFSS软件仿真分析天线模型。如图4，可以看出：天线的谐振频率刚好落在915 MHz的位置,回波损耗S11约在-26 dB，其-10 dB时的阻抗带宽为11 MHz。

为了达到进一步的减小天线的尺寸的目的，本文还结合了平面倒F天线(planar inverted F antenna,PIFA)设计原理。PIFA天线由地板、贴片、馈线和接地线构成，其功能类似镜像原理[8,9]，将贴片中间接地，贴片长度获得最佳尺寸缩小。本文利用在贴片中放置接地过孔，形成贴片与地板的短路。

最终确定微带天线的辐射单元尺寸为24.6 mm×24.6 mm。从结果来看，贴片尺寸降低了近68.5 %。仿真采用HFSS软件，相对介质常数为4.4,基片长宽高分别为47,47,1.2 mm。HFSS软件建立的天线模型如图3所示。

图3 Minkowski分形微带贴片天线基型模型

为了减小天线尺寸，天线在基于二级Minkowski(分形系数为0.4)分形结构的基础上进行开槽。分形结构的槽切断了原来的表面电流路径，改变了辐射贴片电流分布，使电流沿着曲折的导体面而非简单的几何面分布。开槽在等效电路中相当于引进了级联电感[7]，增加了电长度，降低谐振频率，因此，可以减小天线尺寸。

在确定建筑场地后，应研究气候特征。根据建筑的功能要求，通过合理的外部环境设计，改善气候环境，营造良好的建筑节能环境。同时，可以通过增加建筑物周围的树木和植被的布置来有效地净化空气、屏蔽风沙、遮蔽阳光、减少噪声；同时可以在建筑物附近创造一个人工湖，用来收集雨水和平衡周边环境的湿度。

图4 天线的S11仿真结果

当前，随着经济的快速发展，人们的物质生活水平在不断改善和提高，对建筑的需求也就越来越多。随着建筑工程的不断增多，一些地区不断被开发，但是众多建筑物的建设也给地基带来了严重的压力，极易导致地基基础下沉的状况，其中，陕西地区由于其独特的地质构造和土质类型，相较于其他地区更容易发生地基沉降的现象，本文主要对发生地基基础下沉现象的原因进行分析，希望能够从中发现一些对应的策略，改善我国的整体状况，促进建筑行业的不断发展，推进建筑行业的现代化进程。

精品酒店无论是建筑规模还是经营规模，相对于传统酒店来说都要小得多，它们通常是在传统酒店或老式建筑的基础上聘请专业的设计师进行再创意设计，营造出一种别具一格的酒店环境，并为宾客提供个性化的酒店产品和服务，因此精品酒店建设的初始投资并不大，同时精品酒店凭借其精致化的品味和个性化的风格来吸引宾客，在酒店选址方面没有特别的要求，其营销重点主要集中在特定顾客群体的忠诚度提升方面，因此更多的宾客是慕名而来，相对于传统酒店节省了一笔不小的营销费用。

图5 不同主射方向E和H面的增益方向仿真

天线在915 MHz三维方向增益如图6所示，其最终天线带宽为11 MHz，在915 MHz 工作频率处时天线取得的最大增益为-19.1 dB，达到了设计要求。天线在辐射平面上方的空间中呈现了全向特性，表明天线应用灵活，能够在各个方向上识别。

Zuo等[23]通过Illumina HiSeq 2000测序平台对36个菜豆品种构建了RRLs,生成7 600万条序列,获得43 698个SNPs和1 267个InDels.Guo等[24]利用NGS技术对5个大麦品种和1个突变株构建了RRLs,最终获得6 061个SNPs,其中的451个用于绘制大麦基因组草图,同时利用长度多态性等位PCR对其中的11个SNPs进行了验证.Conner等[25]证明在多倍体中可以利用RRLs对复杂位点进行定向测序,并对非洲狼尾草的F1代群体中编码特异的无孢子基因组区域和美洲蒺藜草中编码单性繁殖的基因组区域分别开发了39个和18个SCAR分子标记.

图6 915 MHz处的三维方向增益

3 结果与分析

针对工作频率为915 MHz，应用于金属背景下的SAW传感器，制作天线实物，如图7所示。采用Agilent矢量分析仪测试了天线的回波损耗。与仿真结果对比如图8，可以看出：制作的天线实测性能的回波参数与仿真结果较好吻合 ，带宽(S11<-10 dB)约为14 MHz,完全符合设计不小于-10 dB的要求。通过采用短路加载和基于二阶Minkowski分形结构的开槽，贴片尺寸降低了近68.5 %的情况下仍能保持良好的性能。最终误差在可以容忍的范围内，仿真与实测的结果也能很好地相互验证，不影响天线的使用。

图7 天线实物

图8 HFSS 仿真与加工的实物的S11参数对比

进一步优化了小型化、低轮廓的优点，同时其增益也满足SAW无源无线传感器的要求。将其应用于无源无线传感器的结构如图9所示。

图9 天线应用于声表面波传感器的结构

4 结束语

针对SAW无源无线传感器天线复杂的应用背景，设计了一种基于Minkowshi分形结构的微带贴片天线。采用短路加载技术以及贴片开槽技术，使得工作于915 MHz的天线，其辐射单元缩至24.6 mm×24.6 mm，尺寸缩减程度达68.5 %，与此同时其剖面高度仅为1.2 mm。综合结果表明：设计的天线在微带贴片天线其本身所具有一维特性的基础上，进一步优化了小型化、低轮廓的优点，同时其增益也满足SAW无源无线传感器的要求。基于微带天线的SAW无源无线传感器，易共形的优点势必将在金属件结构健康监测等应用情境下体现出来。

参考文献:

[1] 叶 韬,金 浩,董树荣,等.无线无源声表面波传感器研究进展[J].传感器与微系统,2014,33(12):1-4.

[2] 郭珂君,彭 斌,张万里.一种声表面波无线传感器的小型化微带天线[J].传感技术学报,2013(10):1453-1456.

[3] 徐恭勤，朱文章，阎南生，等.声表面波温度传感器的研究[J].传感器技术学报，1996,9(2)：29-32.

[4] Zheng P,Greve D W,Oppenheim I J,et al.Langasite surface acoustic wave sensors: Fabrication and testing[J].IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics & Frequency Control,2012,59(2):295-303.

[5] Cassinese A,Andreone A,Barra M,et al.Dual mode super-conducting planar filters based on slotted square resonators[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2001,11(1):473-476.

[6] Dhar S,Ghatak R,Gupta B,et al.A wideband Minkowski fractal dielectric resonator antenna[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation,2013,61(6): 2895-2903.

[7] 方大刚.天线理论与微带天线[M].北京：科学出版社，2006.

[8] 钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，1991.

[9] 陈志芳,万德松,胡樑辉.一种小型化UHF RFID抗金属标签天线的设计[J].现代电子技术,2013(7):83-85.