基于RFID UHF频段的车辆防拆无源电子标签分析与设计

摘要：为更好地将物联网的核心技术RFID应用于智能交通领域，达到更方便、更准确和更快捷地管理车辆的目的，从电子标签的理论开始，论述了电子标签的设计方法，详细分析了电子标签相关的参数，并采用电磁仿真软件HFSS对标签进行了仿真并加工出一款UHF频段RFID车辆无源陶瓷防拆电子标签，该标签已经被中国国家知识产权局认定为实用新型专利，仿真结果与测量结果表明，该标签性能稳定、接收灵敏度高，并且具有防拆性，达到UHF频段RFID电子标签的设计要求。
关键词：RFID；UHF；陶瓷；共轭匹配；标签天线；ETC

0 引言
    射频识别RFID这几年在国内有了很大发展，应用日益广泛，给生活带来了极大的方便。RFID按工作频段分为LF，HF，UHF和微波段，其中UHF的工作距离远大于LF和HF，在很多领域已取得了突破性应用。目前路桥收费主要还是人工收费，效率低，安全性差，现在也有部分使用更为方便的高频RFID路桥收费技术，但鉴于其识别距离并不理想，没有从本质上解决不停车收费(Electronic Toll Collection，ETC)这一难题，UHF电子标签替代HF电子标签是必然的趋势。
    因此，特提出了一款UHF车辆无源陶瓷防拆电子标签，该标签的出现解决了这一技术难题，UHF标签不但具有高增益，灵敏度高，而且在很小的能量下，能够正常工作。本文从电子标签的理论开始，论述了电子标签的设计方法，力求在特定的尺寸内设计出高增益、高效率、高稳定性，根据电磁理论与天线理论，设计并且加工出车辆防拆电子标签的实物。从阻抗匹配问题上，详细分析了电子标签的各个参数对于电子标签性能的影响。

1 电子标签的设计
1．1 电子标签的理论
    UHF电子标签天线一般是由天线与芯片组成，芯片被焊接在标签天线的终端，作为终端负载。本文所设计的电子标签可以等效为一个变形的偶极子天线，终端接芯片。因此标签的辐射方向图与偶极子方向图形状一致。对于一般的天线，其阻抗匹配一般为50 Ω或75 Ω，但是，标签天线输入阻抗与芯片的输入阻抗都是复数，其阻抗匹配过程更为复杂。电子标签简化后的等效电路模型如图1所示。

    图1中Vs表示标签天线接收的能量(用电压表示)，Zant和Zchip分别表示标签天线的输入阻抗芯片的输入阻抗。其中：
    Zant=Ra+jXa；Zchip=Rc+jXc
    芯片从标签天线处获得能量：
   
    因此RFID电子标签天线的阻抗必须要与芯片的共轭阻抗匹配，以实现电子标签的最佳工作性能。
1．2 电子标签的设计
    RFID芯片选择MONZA4 QT芯片，根据其资料芯片在923 MHz的阻抗为Zchip=12-j142，陶瓷基板相对介电常数为9．8，损耗角正切忽略不计。工作频率为中国标准频段920．5～924．5 MHz，由此设计了一款RFID车辆专用陶瓷标签实物，陶瓷标签要粘到汽车玻璃上，如图2，图3所示。陶瓷基板(厚度H1)一面贴在玻璃板上，另一面印一层银浆(厚度H2)，在银浆中心开出"工"型缝隙(D1，W1，D2，W2)，芯片焊接在中心处。所述缝隙呈"工"型，所以上下和左右都成对称状，因此辐射到空气中的场形也是比较均匀的，从而便于读写器的识别。陶瓷基板另一个背面上刻有若干凹槽，通过在陶瓷基板上形成凹槽可以显著增加因陶瓷基板受力形变而导致其被破坏的可能性，增强防拆作用。"工"型缝隙对于标签天线的阻抗影响最大，通过调节缝隙的参数D1，W1，D2，W2来改变标签天线的阻抗，使之达到与芯片阻抗共轭匹配，反射系数S11最小，这是本文提到的电子标签的设计思路。

    基于有限元方法和电磁场理论，利用电磁仿真软件HFSS设计出了符合要求的电子标签，各参数如表1所示。

    经过仿真得到天线的S11=-30 dB，如图4所示，阻抗为Zant=14+j139．6，如图5所示，天线的增益为G=2．6 dBi，如图6所示。

2 电子标签参数的分析
    本文所设计的电子标签"工"型缝隙，相对于芯片具有对称的特点，因此可以把D1和W1构成的缝隙定义为缝隙1，把D2和W2构成的缝隙定义为缝隙2。并分别分析它们对于标签的影响。银浆厚度H1和陶瓷厚度H2也会对标签性能产生影响。
    (1)"工"型缝隙1(D1、W1)对标签性能的影响(D2=11 mm，W2=0．6 mm，频率为923 MHz)
    电子标签结构，可等效为芯片连接两并联支路，而D1，W1的增大，相当于减小支路的线径，因此天线阻抗实部会相应的提高，如图7所示。同时，也减小了的天线与芯片间的电容效应，电感效应增强，相应的天线的阻抗(虚部)会提高，如图8所示。

    (2)"工"型缝隙2(D2，W2)对标签性能的影响(D1=14．8 mm，W1=1 mm，频率为923 MHz)
    在W2不变时，D2增大，与芯片直接相连的部分线径增大，等效后的偶极子臂变长，天线的电感增大，因此天线阻抗实部增大，虚部提高，而且S11大小基本不随之变化；在D2不变时，W2增大，天线等效臂长减小，天线阻
抗实部减小，天线臂间的容性增强，故而虚部降低。如图9，图10所示。

    (3)银浆厚度H1，陶瓷厚度H2对标签性能的影响(D1=14．8 mm，W1=1．0 mm，D2=11 mm，W2=0．6 mm)
    由于天线是蚀刻在基板上的，考虑到电子标签应用的便携性和制作的成本，在保证天线具有良好性能的条件下，选择适当的基板厚度是必要的。当银浆加在陶瓷基板上，等效介电常数发生变化，由微波与天线理论可知，标签天线的谐振频点必然会有一些偏移。由图11和图12可以看出，标签天线的阻抗的实部和虚部并不与银浆厚度H1和陶瓷厚度H2成线性变化的。因此，在设计该电子标签时，应结合着缝隙参数的影响以及实际的应用与要求，使标签天线阻抗与芯片阻抗达到共轭匹配。

3 实物与测试
    电子标签实物如图13所示，测试在室外空旷地方，将标签贴到一块现代车玻璃上，放到一个固定架子上，读写器选择SPEEDWAY读写器，输出功率设定为1 W，天线选择12 dBi的四单元线极化天线，天线架于5 m高处龙门架上，测试时，标签与天线的极化都呈水平极化，由远向近移动架子，直到标签能够连续读取为止，测得读取距离为15 m，路桥读取要求为10 m，所以完全满足路桥不停车收费要求，现在已经成功应用，并且也申请了实用新型专利。

4 结论
    本文了设计了一款UHF频段RFID车辆无源陶瓷防拆电子标签，通过软件仿真和实物测试，达到UHF频段标签天线的设计要求。在陶瓷基板上敷银浆并开缝，通过调整缝隙的参数来调整阻抗，使之与芯片阻抗共轭匹配，使能量传输最大，标签性能最佳。对于辐射特征，与标准偶极子高度一致。