抗移動(dòng)通信終端干擾的UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)方法

歐陽(yáng)國(guó)軍

摘 要： 我國(guó)的UHF RFID使用的800/900 MHz頻段距離移動(dòng)通信CDMA800、GSM等頻段較近，易受到移動(dòng)通信系統(tǒng)的干擾，導(dǎo)致RFID標(biāo)簽的解調(diào)誤碼率增加。在分析干擾形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)UHF頻段頻率分布的分析，提出了抗移動(dòng)通信終端干擾的UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)方法，推導(dǎo)出介質(zhì)基板厚度[h]計(jì)算公式。將該方法應(yīng)用到IT設(shè)備資產(chǎn)進(jìn)行管理的RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)上，仿真結(jié)果表明，RFID頻段的回波損耗[S11]值均小于-10 dB， CDMA800、GSM等頻段的回波損耗[S11]均大于-10 dB，RFID頻段的電壓駐波比VSWR值均小于2，移動(dòng)通信頻段的電壓駐波比VSWR值均大于2，獲得了良好的抗移動(dòng)通信終端干擾的性能。

關(guān)鍵詞： 移動(dòng)通信干擾； RFID標(biāo)簽； 標(biāo)簽天線； 抗干擾； UHF頻段

中圖分類號(hào)： TN929.5?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）09?0066?04

0 引 言

UHF RFID標(biāo)簽是指工作頻率為860～960 MHz的無(wú)源RFID標(biāo)簽。UHF RFID標(biāo)簽無(wú)需外部電源、讀寫(xiě)距離可長(zhǎng)達(dá)10 m、數(shù)據(jù)通信速率最高可達(dá)640 Kb/s、一次性可以讀取上千個(gè)標(biāo)簽、制造成本低[1]，因而在物流管理、電子商務(wù)、交通控制、資產(chǎn)管理等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大[2?5]。隨著《信息技術(shù)射頻識(shí)別800/900 MHz空中接口協(xié)議》（GB/T 29768?2013）標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，UHF RFID技術(shù)已成為我國(guó)RFID領(lǐng)域的主流技術(shù)。但在RFID系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，還存在讀取率低、讀取范圍小、易受干擾等問(wèn)題，導(dǎo)致推廣和普及困難，建好的系統(tǒng)故障也較多，嚴(yán)重影響正常使用。其中移動(dòng)通信系統(tǒng)的干擾就是一個(gè)在應(yīng)用中需要解決的問(wèn)題。

GB/T 29768?2013規(guī)定我國(guó)的UHF RFID頻段為840～845 MHz和920～925 MHz，距離移動(dòng)通信CDMA800（下行870～880 MHz，上行825～835 MHz）、GSM（下行930～960 MHz，上行885～915 MHz）等頻段較近，易受到移動(dòng)通信系統(tǒng)的干擾，文獻(xiàn)[6]認(rèn)為干擾源主要為工作場(chǎng)所無(wú)處不在的移動(dòng)通信終端設(shè)備。本文在分析干擾形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了抗移動(dòng)通信終端干擾的UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)方法。

1 移動(dòng)通信終端干擾的形成過(guò)程

1.1 UHF RFID工作原理

UHF RFID系統(tǒng)采用電磁波傳播耦合的工作方式，原理如圖1所示，工作過(guò)程分為兩部分。

圖1 UHF RFID系統(tǒng)工作原理

（1） 閱讀器天線首先向RFID標(biāo)簽發(fā)一段詢問(wèn)信號(hào)，其中包含能量及選擇（Select）、詢問(wèn)（Query）指令。RFID標(biāo)簽通過(guò)標(biāo)簽天線接收讀寫(xiě)器發(fā)送的詢問(wèn)信號(hào)，將能量轉(zhuǎn)換為電壓，為標(biāo)簽芯片供電，當(dāng)電壓足夠高時(shí)，標(biāo)簽芯片被激活而工作。標(biāo)簽芯片激活后，接收閱讀器的詢問(wèn)指令，根據(jù)閱讀器的詢問(wèn)指令進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

（2） 閱讀器與標(biāo)簽根據(jù)協(xié)議進(jìn)行應(yīng)答通信。閱讀器再發(fā)送一段連續(xù)波，為被激活的標(biāo)簽提供工作能量。激活的標(biāo)簽在這段連續(xù)波時(shí)間內(nèi)通過(guò)反向散射調(diào)制方法給閱讀器以應(yīng)答，閱讀器收到應(yīng)答信號(hào)后，發(fā)送一個(gè)確認(rèn)指令和一段連續(xù)波，標(biāo)簽在連續(xù)波的時(shí)間內(nèi)將數(shù)據(jù)發(fā)送給閱讀器，閱讀器收到數(shù)據(jù)后，再向標(biāo)簽發(fā)回確認(rèn)指令。

1.2 標(biāo)簽的等效電路模型

微帶天線等效為并聯(lián)電路[7]，在圖2中，閱讀器詢問(wèn)信號(hào)在天線上感應(yīng)出電流[IS，][ZC]為芯片輸入阻抗。

圖2 標(biāo)簽等效電路模型

天線電路的導(dǎo)納為：

[Y=G+j[ωC-1/（ωL）]] （1）

則作用在芯片阻抗上的端電壓[U]為：

[U=IY=I1R+j[ωC-1（ωL）]] （2）

當(dāng)[ωC=1（ωL），]即發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)， 諧振頻率為：

[f0=12πLC] （3）

此時(shí)[U]獲得最大值[U0。]天線電路的通頻帶分布圖如圖3所示，天線電路的帶寬為：

[BW=f2-f1] （4）

表示天線的頻率選擇性，即在此頻率范圍內(nèi)的信號(hào)將有可能激活芯片，我國(guó)規(guī)定的UHF RFID在806～960 MHz的天線端口發(fā)射雜射限值要求為-52 dBm。

圖3 天線電路的通頻帶分布圖

1.3 我國(guó)UHF頻段內(nèi)移動(dòng)通信與RFID的頻段劃分

我國(guó)UHF頻段內(nèi)移動(dòng)通信與RFID的頻段劃分見(jiàn)表1。

表1 我國(guó)UHF移動(dòng)通信與RFID頻段劃分 MHz

[CDMA800

上行＼&RFID＼&CDMA800

下行＼&GSM上行＼&RFID＼&GSM下行＼&825～835＼&840～845＼&870～880＼&885～915＼&920～925＼&930～960＼&]

1.4 移動(dòng)通信終端對(duì)RFID標(biāo)簽的干擾

從表1看出，CDMA800上行頻段與RFID的840～845 MHz頻段、GSM上行下行頻段與RFID的920～925 MHz頻段相距5 MHz，很容易產(chǎn)生交調(diào)干擾與互調(diào)干擾[8]，如果UHF RFID標(biāo)簽天線的頻率選擇性能不理想，移動(dòng)通信終端發(fā)射的電磁波頻率在標(biāo)簽天線的諧振帶寬內(nèi)，也會(huì)被標(biāo)簽天線感應(yīng)而激活芯片，移動(dòng)通信終端發(fā)射的電磁波被耦合到標(biāo)簽芯片中，由于此種電磁波所攜帶信息是隨機(jī)的，編碼方式也與UHF RFID系統(tǒng)信號(hào)不相同，導(dǎo)致標(biāo)簽芯片的輸入端信躁比降低，RFID標(biāo)簽的解調(diào)誤碼率增加[6]。

2 抗移動(dòng)通信終端干擾的設(shè)計(jì)方法

為了分析方便，將表1的我國(guó)UHF RFID頻段與移動(dòng)通信UHF頻段的范圍，繪制成UHF頻段頻率分類圖，如圖4所示。

圖4 我國(guó)UHF頻段分類圖

設(shè)RFID頻段寬度為[frfid，]CDMA、GSM的UHF頻段離RFID頻段最近的距離為[fmin，]從圖3可知，要消除移動(dòng)通信頻帶對(duì)標(biāo)簽工作的影響，天線的通頻帶不能涵蓋移動(dòng)通信的頻段部分，所以天線的最大帶寬為：

[BW=frfid+2fmin] （5）

由于：

[BW=VSWR-1QTVSWR] （6）

天線總的品質(zhì)因素[QT]可表示為：

[1QT=1Qr+1Qd+1Qc]

式中[Qr，][Qd，][Qc]分別為輻射、介質(zhì)和導(dǎo)體損耗[Q]值。由于實(shí)際的[Qd]和[Qc]遠(yuǎn)大于[Qr，]文獻(xiàn)[9]給出[QT]的近似計(jì)算式：

[QT?Qr=cεre4frh] （7）

式中：c為光速，[εre]有效介電常數(shù)；[fr]為諧振頻率；[h]介質(zhì)基板厚度。由式（5）～（7）可求得：

[h=c（frfid+2fmin）εreVSWR4fr（VSWR-1）] （8）

合理選取[εr]值、損耗正切[tanδ]值，按式（8）計(jì)算[h]值，完成介質(zhì)基板材料的選取，RFID標(biāo)簽天線的帶寬不會(huì)涵蓋CDMA、GSM的頻段，即移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)射的電磁波在天線上的回波損耗[S11>]-10 dB，不致觸發(fā)芯片工作，天線具備了良好的抗移動(dòng)通信終端干擾的性能。

3 在UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)中應(yīng)用

機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位的IT設(shè)備，通常位于辦公室和實(shí)驗(yàn)室，這些場(chǎng)所工作人員、學(xué)生幾乎人手一部手機(jī)，且多在IT設(shè)備附近從事工作和學(xué)習(xí)，對(duì)IT設(shè)備資產(chǎn)進(jìn)行管理的RFID標(biāo)簽可能會(huì)受到手機(jī)發(fā)射信號(hào)的干擾而導(dǎo)致工作不正?！，F(xiàn)利用前面提出的抗移動(dòng)通信終端干擾的設(shè)計(jì)方法，對(duì)RFID標(biāo)簽天線進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高天線的頻率選擇性能，消除移動(dòng)通信終端干擾的影響。

3.1 標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)過(guò)程

RFID標(biāo)簽天線采用同軸饋電微帶天線結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)包括三個(gè)部分：輻射貼片、介質(zhì)基片、同軸饋線，如圖5所示。其中，介質(zhì)基片作為反射面，輻射貼片是與參考地平面平行的金屬片，饋線用于信號(hào)傳輸，通過(guò)合理設(shè)置同軸饋電點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)雙頻。設(shè)計(jì)指標(biāo)為：

（1） 工作中心頻率為842.5 MHz和922.5 MHz；

（2） 標(biāo)簽天線的抗干擾性能：本系統(tǒng)反射系數(shù)[S11≤-20 dB（VSWR≤2.0），]異系統(tǒng)反射系數(shù)[S11≥-10 dB（VSWR≤2.0）]；

（3） 最大增益[Gant≥]6 dB。

為了降低移動(dòng)通信終端的影響，諧振頻率要盡量離CDMA、GSM頻段遠(yuǎn)些。在設(shè)計(jì)時(shí)，定義922.5 MHz為第1諧振頻率，842.5 MHz為第2諧振頻率，從圖4可得出，[frfid=]5 MHz，[fmin=]5 MHz。初始參數(shù)計(jì)算時(shí)參考諧振頻率[fr]取922.5 MHz，考慮應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)天線安裝面積或體積重量沒(méi)有特別的限制，但對(duì)天線的增益要求較高，故取[εr=2.45，][tanδ]=0.001 8的PTFE基板材料，取[VSWR=2，]將數(shù)據(jù)代入式（8）計(jì)算，得：

[h=c（frfid+2fmin）εreVSWR4fr（VSWR-1）=2.7 mm]

圖5 標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)

標(biāo)簽天線的其他尺寸由下列公式求出[10?12]：

[W=c2frεr+12-12] （9）

[εre=εr+12+εr-121+12hW-12] （10）

[λg=cfrεre] （11）

[ΔL=0.412h（εre+0.3）（Wh+0.264）（εre-0.258）（Wh+0.8）] （12）

[L=c2frεre-2ΔL=0.5λg-2ΔL] （13）

介質(zhì)板長(zhǎng)度：

[Lg=L+0.2λg] （14）

介質(zhì)板寬度：

[Wg=W+0.2λg] （15）

[L1=L（1-1ξre（L））2] （16）

式中[ξre（L）=（εr+1）2+（（εr-1）2）（1+12hL）-12。]

[W1=W（1-1ξre（W））2] （17）

式中[ξre（W）=（εr+1）2+（（εr-1）2）（1+12hW）-12。]

式（9）中的[W]為輻射貼片寬度；式（13）中[L]為輻射貼片長(zhǎng)度，式（16）中[L1]為同軸饋電點(diǎn)到[x]軸距離；式（17）中[W1]為同軸饋電點(diǎn)到[y]軸距離。

經(jīng)計(jì)算和應(yīng)用HFSS軟件優(yōu)化，最終天線的尺寸見(jiàn)表2。

3.2 標(biāo)簽天線抗干擾性能分析

使用HFSS 13.0軟件進(jìn)行建模，運(yùn)行仿真分析，標(biāo)簽天線的回波損耗曲線如圖6所示，其中[L=]100.5 mm，[W=111.0 ]mm，[L1=]16.0 mm，[W1=]16.0 mm，[Rfeed=]0.6 mm。

從圖6可知，移動(dòng)通信各頻段的回波損耗[S11]值見(jiàn)表3，均大于-10 dB。

表2 天線設(shè)計(jì)變量與數(shù)值

[參數(shù)名稱＼&變量名稱＼&仿真初值 /mm＼&介質(zhì)基板厚度＼&[H]＼&2.7＼&輻射貼片長(zhǎng)度＼&[L]＼&100.5＼&輻射貼片寬度＼&[W]＼&111.0＼&同軸饋線半徑＼&[Rfeed]＼&0.6＼&同軸饋電點(diǎn)到[x]軸距離＼&[L1]＼&16.0＼&同軸饋電點(diǎn)到[y]軸距離＼&[W1]＼&16.0＼&]

圖6 [S11]分析結(jié)果

表3 移動(dòng)通信頻段[S11]值

[頻段 /MHz＼&[S11]值 /dB＼&825～835＼&-5.72< [S11]<-1.46＼&870～880＼&-0.90< [S11]<-0.76＼&885～915＼&-5.89< [S11]<-0.79＼&930～960＼&-8.08< [S11]<-0.70＼&]

[S11≤]-10 dB的頻率范圍如圖7所示，840～845 MHz頻段為838.6～845.9 MHz，920～925 MHz頻段為919.7～928.8 MHz，涵蓋了我國(guó)UHF RFID的全部頻段。

圖7 [S11≤-10]dB涵蓋的頻率范圍

標(biāo)簽天線的電壓駐波比VSWR如圖8所示，各頻段的VSWR范圍見(jiàn)表4，RFID頻段的VSWR值均小于2，移動(dòng)通信頻段的VSWR值均大于2。

三維增益方向圖如圖9所示，從圖中可以看出天線的最大輻射方向是微帶貼片的法向方向，最大增益值為7.28 dB，增益性能良好。

表4 各頻段VSWR值范圍

[頻段 /MHz＼&VSWR值＼&825～835＼&3.51

圖8 電壓駐波比VSWR分析結(jié)果

圖9 三維增益方向圖

4 結(jié) 論

經(jīng)在UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)中仿真驗(yàn)證，使用本文提出的抗移動(dòng)通信終端干擾的UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的標(biāo)簽天線，抗移動(dòng)通信終端干擾性能良好，并且有高增益性能。本方法具備較大的工程應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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圖6 [S11]分析結(jié)果

表3 移動(dòng)通信頻段[S11]值

[頻段 /MHz＼&[S11]值 /dB＼&825～835＼&-5.72< [S11]<-1.46＼&870～880＼&-0.90< [S11]<-0.76＼&885～915＼&-5.89< [S11]<-0.79＼&930～960＼&-8.08< [S11]<-0.70＼&]

[S11≤]-10 dB的頻率范圍如圖7所示，840～845 MHz頻段為838.6～845.9 MHz，920～925 MHz頻段為919.7～928.8 MHz，涵蓋了我國(guó)UHF RFID的全部頻段。

圖7 [S11≤-10]dB涵蓋的頻率范圍

標(biāo)簽天線的電壓駐波比VSWR如圖8所示，各頻段的VSWR范圍見(jiàn)表4，RFID頻段的VSWR值均小于2，移動(dòng)通信頻段的VSWR值均大于2。

三維增益方向圖如圖9所示，從圖中可以看出天線的最大輻射方向是微帶貼片的法向方向，最大增益值為7.28 dB，增益性能良好。

表4 各頻段VSWR值范圍

[頻段 /MHz＼&VSWR值＼&825～835＼&3.51

圖8 電壓駐波比VSWR分析結(jié)果

圖9 三維增益方向圖

4 結(jié) 論

經(jīng)在UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)中仿真驗(yàn)證，使用本文提出的抗移動(dòng)通信終端干擾的UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的標(biāo)簽天線，抗移動(dòng)通信終端干擾性能良好，并且有高增益性能。本方法具備較大的工程應(yīng)用價(jià)值。

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圖6 [S11]分析結(jié)果

表3 移動(dòng)通信頻段[S11]值

[頻段 /MHz＼&[S11]值 /dB＼&825～835＼&-5.72< [S11]<-1.46＼&870～880＼&-0.90< [S11]<-0.76＼&885～915＼&-5.89< [S11]<-0.79＼&930～960＼&-8.08< [S11]<-0.70＼&]

[S11≤]-10 dB的頻率范圍如圖7所示，840～845 MHz頻段為838.6～845.9 MHz，920～925 MHz頻段為919.7～928.8 MHz，涵蓋了我國(guó)UHF RFID的全部頻段。

圖7 [S11≤-10]dB涵蓋的頻率范圍

標(biāo)簽天線的電壓駐波比VSWR如圖8所示，各頻段的VSWR范圍見(jiàn)表4，RFID頻段的VSWR值均小于2，移動(dòng)通信頻段的VSWR值均大于2。

三維增益方向圖如圖9所示，從圖中可以看出天線的最大輻射方向是微帶貼片的法向方向，最大增益值為7.28 dB，增益性能良好。

表4 各頻段VSWR值范圍

[頻段 /MHz＼&VSWR值＼&825～835＼&3.51

圖8 電壓駐波比VSWR分析結(jié)果

圖9 三維增益方向圖

4 結(jié) 論

經(jīng)在UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)中仿真驗(yàn)證，使用本文提出的抗移動(dòng)通信終端干擾的UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的標(biāo)簽天線，抗移動(dòng)通信終端干擾性能良好，并且有高增益性能。本方法具備較大的工程應(yīng)用價(jià)值。

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