基于RFID UHF頻段的車輛防拆無(wú)源電子標(biāo)簽分析與設(shè)計(jì)

摘要：為更好地將物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)RFID應(yīng)用于智能交通領(lǐng)域，達(dá)到更方便、更準(zhǔn)確和更快捷地管理車輛的目的，從電子標(biāo)簽的理論開(kāi)始，論述了電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)分析了電子標(biāo)簽相關(guān)的參數(shù)，并采用電磁仿真軟件HFSS對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行了仿真并加工出一款UHF頻段RFID車輛無(wú)源陶瓷防拆電子標(biāo)簽，該標(biāo)簽已經(jīng)被中國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局認(rèn)定為實(shí)用新型專利，仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果表明，該標(biāo)簽性能穩(wěn)定、接收靈敏度高，并且具有防拆性，達(dá)到UHF頻段RFID電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：RFID；UHF；陶瓷；共軛匹配；標(biāo)簽天線；ETC

0 引言
    射頻識(shí)別RFID這幾年在國(guó)內(nèi)有了很大發(fā)展，應(yīng)用日益廣泛，給生活帶來(lái)了極大的方便。RFID按工作頻段分為L(zhǎng)F，HF，UHF和微波段，其中UHF的工作距離遠(yuǎn)大于LF和HF，在很多領(lǐng)域已取得了突破性應(yīng)用。目前路橋收費(fèi)主要還是人工收費(fèi)，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(fèi)技術(shù)，但鑒于其識(shí)別距離并不理想，沒(méi)有從本質(zhì)上解決不停車收費(fèi)(Electronic Toll Collection，ETC)這一難題，UHF電子標(biāo)簽替代HF電子標(biāo)簽是必然的趨勢(shì)。
    因此，特提出了一款UHF車輛無(wú)源陶瓷防拆電子標(biāo)簽，該標(biāo)簽的出現(xiàn)解決了這一技術(shù)難題，UHF標(biāo)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(biāo)簽的理論開(kāi)始，論述了電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)方法，力求在特定的尺寸內(nèi)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)并且加工出車輛防拆電子標(biāo)簽的實(shí)物。從阻抗匹配問(wèn)題上，詳細(xì)分析了電子標(biāo)簽的各個(gè)參數(shù)對(duì)于電子標(biāo)簽性能的影響。

1 電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)
1．1 電子標(biāo)簽的理論
    UHF電子標(biāo)簽天線一般是由天線與芯片組成，芯片被焊接在標(biāo)簽天線的終端，作為終端負(fù)載。本文所設(shè)計(jì)的電子標(biāo)簽可以等效為一個(gè)變形的偶極子天線，終端接芯片。因此標(biāo)簽的輻射方向圖與偶極子方向圖形狀一致。對(duì)于一般的天線，其阻抗匹配一般為50 Ω或75 Ω，但是，標(biāo)簽天線輸入阻抗與芯片的輸入阻抗都是復(fù)數(shù)，其阻抗匹配過(guò)程更為復(fù)雜。電子標(biāo)簽簡(jiǎn)化后的等效電路模型如圖1所示。

    圖1中Vs表示標(biāo)簽天線接收的能量(用電壓表示)，Zant和Zchip分別表示標(biāo)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(biāo)簽天線處獲得能量：
   
    因此RFID電子標(biāo)簽天線的阻抗必須要與芯片的共軛阻抗匹配，以實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽的最佳工作性能。
1．2 電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)
    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(duì)介電常數(shù)為9．8，損耗角正切忽略不計(jì)。工作頻率為中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)頻段920．5～924．5 MHz，由此設(shè)計(jì)了一款RFID車輛專用陶瓷標(biāo)簽實(shí)物，陶瓷標(biāo)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(kāi)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(duì)稱狀，因此輻射到空氣中的場(chǎng)形也是比較均勻的，從而便于讀寫器的識(shí)別。陶瓷基板另一個(gè)背面上刻有若干凹槽，通過(guò)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(dǎo)致其被破壞的可能性，增強(qiáng)防拆作用。“工”型縫隙對(duì)于標(biāo)簽天線的阻抗影響最大，通過(guò)調(diào)節(jié)縫隙的參數(shù)D1，W1，D2，W2來(lái)改變標(biāo)簽天線的阻抗，使之達(dá)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(biāo)簽的設(shè)計(jì)思路。

    基于有限元方法和電磁場(chǎng)理論，利用電磁仿真軟件HFSS設(shè)計(jì)出了符合要求的電子標(biāo)簽，各參數(shù)如表1所示。

    經(jīng)過(guò)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(biāo)簽參數(shù)的分析
    本文所設(shè)計(jì)的電子標(biāo)簽“工”型縫隙，相對(duì)于芯片具有對(duì)稱的特點(diǎn)，因此可以把D1和W1構(gòu)成的縫隙定義為縫隙1，把D2和W2構(gòu)成的縫隙定義為縫隙2。并分別分析它們對(duì)于標(biāo)簽的影響。銀漿厚度H1和陶瓷厚度H2也會(huì)對(duì)標(biāo)簽性能產(chǎn)生影響。
    (1)“工”型縫隙1(D1、W1)對(duì)標(biāo)簽性能的影響(D2=11 mm，W2=0．6 mm，頻率為923 MHz)
    電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，可等效為芯片連接兩并聯(lián)支路，而D1，W1的增大，相當(dāng)于減小支路的線徑，因此天線阻抗實(shí)部會(huì)相應(yīng)的提高，如圖7所示。同時(shí)，也減小了的天線與芯片間的電容效應(yīng)，電感效應(yīng)增強(qiáng)，相應(yīng)的天線的阻抗(虛部)會(huì)提高，如圖8所示。

    (2)“工”型縫隙2(D2，W2)對(duì)標(biāo)簽性能的影響(D1=14．8 mm，W1=1 mm，頻率為923 MHz)
    在W2不變時(shí)，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(zhǎng)，天線的電感增大，因此天線阻抗實(shí)部增大，虛部提高，而且S11大小基本不隨之變化；在D2不變時(shí)，W2增大，天線等效臂長(zhǎng)減小，天線阻
抗實(shí)部減小，天線臂間的容性增強(qiáng)，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(duì)標(biāo)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(biāo)簽應(yīng)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(dāng)?shù)幕搴穸仁潜匾摹．?dāng)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(biāo)簽天線的諧振頻點(diǎn)必然會(huì)有一些偏移。由圖11和圖12可以看出，標(biāo)簽天線的阻抗的實(shí)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(shè)計(jì)該電子標(biāo)簽時(shí)，應(yīng)結(jié)合著縫隙參數(shù)的影響以及實(shí)際的應(yīng)用與要求，使標(biāo)簽天線阻抗與芯片阻抗達(dá)到共軛匹配。

3 實(shí)物與測(cè)試
    電子標(biāo)簽實(shí)物如圖13所示，測(cè)試在室外空曠地方，將標(biāo)簽貼到一塊現(xiàn)代車玻璃上，放到一個(gè)固定架子上，讀寫器選擇SPEEDWAY讀寫器，輸出功率設(shè)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(cè)試時(shí)，標(biāo)簽與天線的極化都呈水平極化，由遠(yuǎn)向近移動(dòng)架子，直到標(biāo)簽?zāi)軌蜻B續(xù)讀取為止，測(cè)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(fèi)要求，現(xiàn)在已經(jīng)成功應(yīng)用，并且也申請(qǐng)了實(shí)用新型專利。

4 結(jié)論
    本文了設(shè)計(jì)了一款UHF頻段RFID車輛無(wú)源陶瓷防拆電子標(biāo)簽，通過(guò)軟件仿真和實(shí)物測(cè)試，達(dá)到UHF頻段標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)要求。在陶瓷基板上敷銀漿并開(kāi)縫，通過(guò)調(diào)整縫隙的參數(shù)來(lái)調(diào)整阻抗，使之與芯片阻抗共軛匹配，使能量傳輸最大，標(biāo)簽性能最佳。對(duì)于輻射特征，與標(biāo)準(zhǔn)偶極子高度一致。