摘要：為更好地將物聯(lián)網(wǎng)的核心技術RFID應用于智能交通領域，達到更方便、更準確和更快捷地管理車輛的目的，從電子標簽的理論開始，論述了電子標簽的設計方法，詳細分析了電子標簽相關的參數(shù)，并采用電磁仿真軟件HFSS對標簽進行了仿真并加工出一款UHF頻段RFID車輛無源陶瓷防拆電子標簽，該標簽已經(jīng)被中國國家知識產(chǎn)權局認定為實用新型專利，仿真結果與測量結果表明，該標簽性能穩(wěn)定、接收靈敏度高，并且具有防拆性，達到UHF頻段RFID電子標簽的設計要求。
關鍵詞：RFID；UHF；陶瓷；共軛匹配；標簽天線；ETC
0 引言
射頻識別RFID這幾年在國內(nèi)有了很大發(fā)展，應用日益廣泛，給生活帶來了極大的方便。RFID按工作頻段分為LF，HF，UHF和微波段，其中UHF的工作距離遠大于LF和HF，在很多領域已取得了突破性應用。目前路橋收費主要還是人工收費，效率低，安全性差，現(xiàn)在也有部分使用更為方便的高頻RFID路橋收費技術，但鑒于其識別距離并不理想，沒有從本質(zhì)上解決不停車收費(Electronic Toll Collection，ETC)這一難題，UHF電子標簽替代HF電子標簽是必然的趨勢。
因此，特提出了一款UHF車輛無源陶瓷防拆電子標簽，該標簽的出現(xiàn)解決了這一技術難題，UHF標簽不但具有高增益，靈敏度高，而且在很小的能量下，能夠正常工作。本文從電子標簽的理論開始，論述了電子標簽的設計方法，力求在特定的尺寸內(nèi)設計出高增益、高效率、高穩(wěn)定性，根據(jù)電磁理論與天線理論，設計并且加工出車輛防拆電子標簽的實物。從阻抗匹配問題上，詳細分析了電子標簽的各個參數(shù)對于電子標簽性能的影響。
1 電子標簽的設計
1．1 電子標簽的理論
UHF電子標簽天線一般是由天線與芯片組成，芯片被焊接在標簽天線的終端，作為終端負載。本文所設計的電子標簽可以等效為一個變形的偶極子天線，終端接芯片。因此標簽的輻射方向圖與偶極子方向圖形狀一致。對于一般的天線，其阻抗匹配一般為50 Ω或75 Ω，但是，標簽天線輸入阻抗與芯片的輸入阻抗都是復數(shù)，其阻抗匹配過程更為復雜。電子標簽簡化后的等效電路模型如圖1所示。
圖1中Vs表示標簽天線接收的能量(用電壓表示)，Zant和Zchip分別表示標簽天線的輸入阻抗芯片的輸入阻抗。其中：
Zant=Ra+jXa；Zchip=Rc+jXc
芯片從標簽天線處獲得能量：
因此RFID電子標簽天線的阻抗必須要與芯片的共軛阻抗匹配，以實現(xiàn)電子標簽的最佳工作性能。
1．2 電子標簽的設計
RFID芯片選擇MONZA4 QT芯片，根據(jù)其資料芯片在923 MHz的阻抗為Zchip=12-j142，陶瓷基板相對介電常數(shù)為9．8，損耗角正切忽略不計。工作頻率為中國標準頻段920．5～924．5 MHz，由此設計了一款RFID車輛專用陶瓷標簽實物，陶瓷標簽要粘到汽車玻璃上，如圖2，圖3所示。陶瓷基板(厚度H1)一面貼在玻璃板上，另一面印一層銀漿(厚度H2)，在銀漿中心開出“工”型縫隙(D1，W1，D2，W2)，芯片焊接在中心處。所述縫隙呈“工”型，所以上下和左右都成對稱狀，因此輻射到空氣中的場形也是比較均勻的，從而便于讀寫器的識別。陶瓷基板另一個背面上刻有若干凹槽，通過在陶瓷基板上形成凹槽可以顯著增加因陶瓷基板受力形變而導致其被破壞的可能性，增強防拆作用。“工”型縫隙對于標簽天線的阻抗影響最大，通過調(diào)節(jié)縫隙的參數(shù)D1，W1，D2，W2來改變標簽天線的阻抗，使之達到與芯片阻抗共軛匹配，反射系數(shù)S11最小，這是本文提到的電子標簽的設計思路。
基于有限元方法和電磁場理論，利用電磁仿真軟件HFSS設計出了符合要求的電子標簽，各參數(shù)如表1所示。
經(jīng)過仿真得到天線的S11=-30 dB，如圖4所示，阻抗為Zant=14+j139．6，如圖5所示，天線的增益為G=2．6 dBi，如圖6所示。
2 電子標簽參數(shù)的分析
本文所設計的電子標簽“工”型縫隙，相對于芯片具有對稱的特點，因此可以把D1和W1構成的縫隙定義為縫隙1，把D2和W2構成的縫隙定義為縫隙2。并分別分析它們對于標簽的影響。銀漿厚度H1和陶瓷厚度H2也會對標簽性能產(chǎn)生影響。
(1)“工”型縫隙1(D1、W1)對標簽性能的影響(D2=11 mm，W2=0．6 mm，頻率為923 MHz)
電子標簽結構，可等效為芯片連接兩并聯(lián)支路，而D1，W1的增大，相當于減小支路的線徑，因此天線阻抗實部會相應的提高，如圖7所示。同時，也減小了的天線與芯片間的電容效應，電感效應增強，相應的天線的阻抗(虛部)會提高，如圖8所示。
(2)“工”型縫隙2(D2，W2)對標簽性能的影響(D1=14．8 mm，W1=1 mm，頻率為923 MHz)
在W2不變時，D2增大，與芯片直接相連的部分線徑增大，等效后的偶極子臂變長，天線的電感增大，因此天線阻抗實部增大，虛部提高，而且S11大小基本不隨之變化；在D2不變時，W2增大，天線等效臂長減小，天線阻
抗實部減小，天線臂間的容性增強，故而虛部降低。如圖9，圖10所示。
(3)銀漿厚度H1，陶瓷厚度H2對標簽性能的影響(D1=14．8 mm，W1=1．0 mm，D2=11 mm，W2=0．6 mm)
由于天線是蝕刻在基板上的，考慮到電子標簽應用的便攜性和制作的成本，在保證天線具有良好性能的條件下，選擇適當?shù)幕搴穸仁潜匾?。當銀漿加在陶瓷基板上，等效介電常數(shù)發(fā)生變化，由微波與天線理論可知，標簽天線的諧振頻點必然會有一些偏移。由圖11和圖12可以看出，標簽天線的阻抗的實部和虛部并不與銀漿厚度H1和陶瓷厚度H2成線性變化的。因此，在設計該電子標簽時，應結合著縫隙參數(shù)的影響以及實際的應用與要求，使標簽天線阻抗與芯片阻抗達到共軛匹配。
3 實物與測試
電子標簽實物如圖13所示，測試在室外空曠地方，將標簽貼到一塊現(xiàn)代車玻璃上，放到一個固定架子上，讀寫器選擇SPEEDWAY讀寫器，輸出功率設定為1 W，天線選擇12 dBi的四單元線極化天線，天線架于5 m高處龍門架上，測試時，標簽與天線的極化都呈水平極化，由遠向近移動架子，直到標簽能夠連續(xù)讀取為止，測得讀取距離為15 m，路橋讀取要求為10 m，所以完全滿足路橋不停車收費要求，現(xiàn)在已經(jīng)成功應用，并且也申請了實用新型專利。
4 結論
本文了設計了一款UHF頻段RFID車輛無源陶瓷防拆電子標簽，通過軟件仿真和實物測試，達到UHF頻段標簽天線的設計要求。在陶瓷基板上敷銀漿并開縫，通過調(diào)整縫隙的參數(shù)來調(diào)整阻抗，使之與芯片阻抗共軛匹配，使能量傳輸最大，標簽性能最佳。對于輻射特征，與標準偶極子高度一致。
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