基于RFID UHF頻段的車輛防拆無源電子標(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對標(biāo)簽進(jìn)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(biāo)簽，該標(biāo)簽已經(jīng)被中國國家知識產(chǎn)權(quán)局認(rèn)定為實(shí)用新型專利，仿真結(jié)果與測量結(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
射頻識別RFID這幾年在國內(nèi)有了很大發(fā)展，應(yīng)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(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)，但鑒于其識別距離并不理想，沒有從本質(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。
因此，特提出了一款UHF車輛無源陶瓷防拆電子標(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。從阻抗匹配問題上，詳細(xì)分析了電子標(biāo)簽的各個參數(shù)對于電子標(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)，其阻抗匹配過程更為復(fù)雜。電子標(biāo)簽簡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(dǎo)致其被破壞的可能性，增強(qiáng)防拆作用。“工”型縫隙對于標(biāo)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(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。