RFID電子車(chē)牌用樹(shù)脂縫隙天線的設(shè)計(jì)

趙文婧 厲丹 黃為勇 吳雙江

摘 要： 為了對(duì)車(chē)輛進(jìn)行射頻識(shí)別（RFID），設(shè)計(jì)一種用于有源電子車(chē)牌的彎折樹(shù)脂縫隙天線，并根據(jù)車(chē)牌安裝的實(shí)際情況設(shè)計(jì)了饋電結(jié)構(gòu)。該天線能夠?qū)⒂性碦FID模塊與金屬車(chē)牌有效一體化，而且樹(shù)脂縫隙不易變形，能夠加強(qiáng)天線的機(jī)械強(qiáng)度。利用HFSS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化，并分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)天線工作頻帶特性的影響，得到設(shè)計(jì)該天線的一般規(guī)律。仿真結(jié)果表明，該樹(shù)脂縫隙天線工作頻段滿足RFID的2.45 GHz頻段范圍，具有較高的增益、較遠(yuǎn)的閱讀距離和車(chē)輛識(shí)別所需的多波束輻射方向圖。

關(guān)鍵詞： 射頻識(shí)別； 電子車(chē)牌； 樹(shù)脂縫隙天線； 閱讀距離； 方向圖

中圖分類(lèi)號(hào)： TN82?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）05?0073?05

0 引 言

近年來(lái)，隨著RFID技術(shù)在車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別中的廣泛應(yīng)用，我國(guó)的智能交通系統(tǒng)（ITS）獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，其中比較典型的應(yīng)用包括停車(chē)場(chǎng)管理、高速公路電子不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)（ETC）、車(chē)輛測(cè)速等。其主要通過(guò)安裝于車(chē)輛上的電子標(biāo)簽和安裝在道路兩旁或收費(fèi)站車(chē)道上的閱讀器之間進(jìn)行無(wú)線通信和信息交換。天線是其中的關(guān)鍵部分，它在標(biāo)簽與閱讀器之間傳遞射頻信號(hào)，它的選擇和設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)整個(gè)識(shí)別系統(tǒng)的性能有很大影響，尤其是當(dāng)系統(tǒng)工作頻率上升到UHF和微波頻段。

電子標(biāo)簽常被人們稱(chēng)為“電子車(chē)牌”，它通常被安裝在車(chē)輛前面的擋風(fēng)玻璃上，但很多車(chē)輛的擋風(fēng)玻璃上的防爆膜含有金屬成分，可能會(huì)影響標(biāo)簽天線的性能，導(dǎo)致標(biāo)簽無(wú)法正常工作。此外，大多數(shù)安裝在擋風(fēng)玻璃上的標(biāo)簽工作在UHF頻段（840～960 MHz），屬于被動(dòng)式無(wú)源標(biāo)簽，天線設(shè)計(jì)需要做到與芯片阻抗共軛匹配，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜，并且最遠(yuǎn)讀取距離僅有十幾米[1]，當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行在高速狀態(tài)，識(shí)別時(shí)可能會(huì)存在漏讀現(xiàn)象。真正意義上的電子車(chē)牌通常是嵌入了主動(dòng)式有源電子標(biāo)簽的車(chē)號(hào)牌；從表面上看，嵌入了RFID標(biāo)簽的電子車(chē)牌與傳統(tǒng)的車(chē)號(hào)牌基本沒(méi)有什么區(qū)別，但它不僅能夠提供與傳統(tǒng)車(chē)號(hào)牌相同的視覺(jué)信息，還能夠提供相關(guān)的電子信息。之所以采用主動(dòng)式的電子標(biāo)簽，是由于主動(dòng)式的電子標(biāo)簽自身帶有電池，與被動(dòng)式無(wú)源電子標(biāo)簽相比，它擁有更遠(yuǎn)的閱讀距離和較大的信息存儲(chǔ)量，通常工作[2]在2.45 GHz和5.8 GHz。在國(guó)外專(zhuān)利文獻(xiàn)[3?4]中，提出了不同結(jié)構(gòu)的電子車(chē)牌和不同種類(lèi)的電子車(chē)牌天線，例如，微帶貼片天線[4]、微帶偶極子天線[3?4]、環(huán)狀天線[3]等，雖然這些天線都被設(shè)計(jì)嵌入于非金屬材料制作的車(chē)號(hào)牌中，但也存在著潛在的問(wèn)題，因?yàn)榈湫蛙?chē)號(hào)牌的反光膜包含一層蒸汽涂層，它會(huì)影響天線的輻射方向圖。即便不使用反光膜，絕大多數(shù)的車(chē)牌也是金屬材料制成的，位于金屬車(chē)牌后方的上述類(lèi)型的天線將不能正常工作。然而，縫隙天線具有低輪廓、成本低、容易制作而且易于與電路集成等特點(diǎn)，特別適用于電子車(chē)牌。雖然有很多應(yīng)用在不同頻段的RFID縫隙天線的相關(guān)研究文獻(xiàn)被報(bào)道[5?10]，但對(duì)于電子車(chē)牌而言，縫隙的設(shè)計(jì)必須在不破壞車(chē)牌表面的漢字、字母以及數(shù)字的前提下進(jìn)行，而且僅采用空氣縫隙天線可能會(huì)因?yàn)闄C(jī)械強(qiáng)度不夠?qū)е伦冃芜M(jìn)而破壞天線的性能。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款工作在2.45 GHz（2.4～2.483 GHz）的彎折環(huán)氧樹(shù)脂縫隙天線。該天線不僅能夠?qū)⒂性碦FID標(biāo)簽?zāi)K與金屬車(chē)牌有效集為一體，而且固化后的環(huán)氧樹(shù)脂具有良好的物理化學(xué)性能，它對(duì)金屬材料具有優(yōu)異的粘接強(qiáng)度、介電性能良好（相對(duì)介電常數(shù)通常為3.8～4.2）、變定收縮率小、制品尺寸穩(wěn)定性好、硬度高且柔韌性較好，在樹(shù)脂縫隙上刷漆后。從表面上看與普通車(chē)牌沒(méi)有任何區(qū)別，這樣做不僅加強(qiáng)了天線的機(jī)械強(qiáng)度，而且還達(dá)到了美觀的效果。

1 電子車(chē)牌及天線結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)

圖1為所設(shè)計(jì)的樹(shù)脂縫隙天線電子車(chē)牌結(jié)構(gòu)模型示意圖。其中，金屬車(chē)牌通常為鋁制車(chē)牌，不同國(guó)家車(chē)牌的尺寸有可能不同，本文以我國(guó)九二式標(biāo)準(zhǔn)鋁制機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)牌為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。通常是用兩個(gè)螺釘通過(guò)車(chē)牌上方的橢圓形懸掛孔將車(chē)牌固定于車(chē)身前端的，由于車(chē)輛本身是金屬物體，當(dāng)電子車(chē)牌安裝于車(chē)輛上時(shí)，勢(shì)必會(huì)對(duì)天線的性能產(chǎn)生影響。因此，在建模中采用一個(gè)大小為1 320 mm×420 mm的金屬接地板，平行放置于電子車(chē)牌的后方模擬車(chē)身。此外，還應(yīng)考慮到有源標(biāo)簽電池的厚度，故設(shè)電子車(chē)牌到接地板的距離為5 mm。

電子車(chē)牌具體的幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示，我國(guó)鋁制車(chē)牌的大小為[L×W=440 ]mm×140 mm，車(chē)牌上通常有1個(gè)漢字、1個(gè)間隔點(diǎn)、6個(gè)英文字母或數(shù)字以及4個(gè)在坐標(biāo)系中分別位于（y，z）=（-123.5，±57.5） mm和（y，z）= （101.5， ±57.5） mm的用于固定車(chē)牌的橢圓形懸掛孔。

為了不破壞電子車(chē)牌表面的漢字、字母和數(shù)字，天線可采用彎折的縫隙結(jié)構(gòu)，且在縫隙中填充環(huán)氧樹(shù)脂，如圖2所示。該天線相對(duì)于[z]軸對(duì)稱(chēng)，兩邊各有3個(gè)彎折點(diǎn)。兩個(gè)饋電點(diǎn)位于底部縫隙的中間（標(biāo)記于圖2的縫隙[L1]上）。該天線具體的幾何結(jié)構(gòu)和參數(shù)定義見(jiàn)圖2。

圖1 樹(shù)脂縫隙天線電子車(chē)牌

圖2 電子車(chē)牌上的樹(shù)脂縫隙天線結(jié)構(gòu)和參數(shù)

有源RFID電路模塊附著于電子車(chē)牌的反面，如圖3（a）所示。圖3（b）為該縫隙天線的具體饋電結(jié)構(gòu)示意圖，標(biāo)簽電路模塊的接地端與電子車(chē)牌上的底部縫隙的上邊沿饋電點(diǎn)相連。標(biāo)簽電路的天線輸入端口處為波導(dǎo)共面（CPW）結(jié)構(gòu)，為了使標(biāo)簽電路能夠很好地與該縫隙天線集成，可從天線輸入端口起在電路基板上加一段帶線，將其延伸并越過(guò)縫隙與電子車(chē)牌上的底部縫隙的下邊沿饋電點(diǎn)相連，帶線的寬度為1.5 mm，長(zhǎng)度[x1]主要是根據(jù)天線優(yōu)化過(guò)程以及天線與輸入端口阻抗匹配程度確定的。標(biāo)簽電路的輸出阻抗為50 Ω，為了使該樹(shù)脂縫隙天線與標(biāo)簽電路良好匹配，所設(shè)計(jì)的天線的輸入阻抗也應(yīng)為50 Ω。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線頻帶特性的影響

2.1.1 H1對(duì)天線頻帶特性的影響

采用電磁仿真軟件HFSS初始建模時(shí)，設(shè)圖2中縫隙寬度[w1=]1 mm，底部水平縫隙長(zhǎng)度[L1=]58 mm，兩側(cè)豎直縫隙長(zhǎng)度[L2=]90 mm[+2H1，][L3=L4=0] mm，縫隙中填充的環(huán)氧樹(shù)脂相對(duì)介電常數(shù)[εr=3.8，]圖3所示的饋電結(jié)構(gòu)中所加銅帶線長(zhǎng)度[x1=]2 mm，即初始模型為U型結(jié)構(gòu)。改變[H1，]即豎直縫隙[L2]的長(zhǎng)度，使其從9 mm變化到13 mm，即[L2]從108 mm變化到116 mm，仿真得到的天線回波損耗[S11]曲線如圖4所示。從圖中可以看出，隨著[H1]的增加，即豎直縫隙總長(zhǎng)度[L2]的增加，天線的諧振頻率逐漸向低頻移動(dòng)，諧振程度有所增加，阻抗帶寬逐漸變寬。考慮到實(shí)際制作的問(wèn)題，不希望縫隙距車(chē)牌上、下邊緣或數(shù)字太近，故選取中間位置[H1=]11 mm，即[L2=]112 mm。

2.1.2 [L3]對(duì)天線頻帶特性的影響

由于車(chē)牌上可開(kāi)縫的空間有限，為了能夠保持天線結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，考慮在初始模型參數(shù)的基礎(chǔ)上，在頂部對(duì)稱(chēng)增加水平縫隙[L3，]且[L3=L1=58]mm，結(jié)構(gòu)如圖2中所示。對(duì)比有無(wú)[L3]對(duì)回波損耗[S11]曲線的影響，其仿真曲線如圖5所示。從圖中可以看出，增加頂部水平縫隙[L3]后，諧振頻率向高頻移動(dòng)，帶寬有所增加，雖然諧振頻率在2.45 GHz頻段范圍內(nèi)，但阻抗帶寬（S11≤-10 dB）仍不滿足要求。

2.1.3 [L4]對(duì)天線頻帶特性的影響

根據(jù)第2.1.1節(jié)中分析的結(jié)論，可在第2.1.2節(jié)中模型參數(shù)的基礎(chǔ)上，在頂部水平縫隙[L3]兩側(cè)對(duì)稱(chēng)增加豎直縫隙[L4，]以調(diào)諧諧振頻率，并增加諧振程度和帶寬，結(jié)構(gòu)如圖2所示。改變[L4，]使其從40 mm變化到60 mm，仿真得到的天線回波損耗[S11]曲線如圖6所示。從圖中可以看出，[L4]的增加對(duì)回波損耗曲線的影響與第2.1.1節(jié)中分析的結(jié)論類(lèi)似，只是諧振頻率向低頻移動(dòng)的程度不如第2.1.1節(jié)中程度大，原因在于豎直縫隙[L4]的長(zhǎng)度要比[L2]的長(zhǎng)度短的多。為了不讓諧振頻率向低頻位移過(guò)度，不再增加豎直縫隙[L4]的長(zhǎng)度。圖6中[L4=60]mm時(shí)，帶寬已滿足2.45 GHz頻帶要求。

2.1.4 [w1]對(duì)天線頻帶特性的影響

保持參數(shù)[εr=3.8，][L1=L3=58]mm，[H1=11]mm（[L2=]112 mm），[L4=60 ]mm，[x1=2]mm不變，改變縫隙寬度[w1，]使其從1 mm變化到2 mm，仿真得到的天線回波損耗[S11]曲線如圖7所示。從圖中可以看出，隨著縫隙寬度的小幅增加，諧振頻率向高頻大幅度移動(dòng)，并且?guī)捰兴鶞p小。因此，在實(shí)際制作天線時(shí)，對(duì)縫隙寬度的精度要求很高。

2.1.5 [x1]對(duì)天線頻帶特性的影響

保持參數(shù)[εr=3.8，][L1=L3=58]mm，[H1=11]mm（[L2=]112 mm），[L4=60]mm，[w1=1]mm不變，改變饋電結(jié)構(gòu)中所加銅帶線長(zhǎng)度[x1，]使其從1 mm變化到3 mm，仿真得到的天線回波損耗[S11]曲線如圖8所示。從圖中可以看出，隨著[x1]的增加，帶寬有所減小，但諧振程度有所增加，諧振頻率點(diǎn)的位置基本保持不變。

綜上所述，可得設(shè)計(jì)該樹(shù)脂縫隙天線的方法規(guī)律：增加水平縫隙長(zhǎng)度可以使天線的諧振頻率向高頻移動(dòng)，而增加豎直縫隙長(zhǎng)度則可使天線的諧振頻率向低頻移動(dòng)，并可增加諧振程度和阻抗帶寬；天線的諧振頻率對(duì)縫隙寬度的微小變化非常敏感，這就要求實(shí)際制作時(shí)縫隙寬度應(yīng)具有較高的精度；饋電結(jié)構(gòu)中銅帶線長(zhǎng)度對(duì)諧振頻率基本沒(méi)有影響，但會(huì)對(duì)阻抗帶寬有一定影響。此外，在仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹(shù)脂的相對(duì)介電常數(shù)εr在3.8～4.2范圍內(nèi)對(duì)天線回波損耗以及方向圖均沒(méi)有太大影響。

2.2 優(yōu)化后的天線仿真結(jié)果與分析

通過(guò)數(shù)次數(shù)值仿真和優(yōu)化，圖2和圖3中所定義的電子車(chē)牌樹(shù)脂縫隙天線的幾何參數(shù)值分別為：εr=3.8，[w1=1]mm，[L1=58]mm，[H1=11]mm（[L2=112]mm），[L3=][58]mm，[L4=60 ]mm，[x1=]2 mm。

圖9為仿真優(yōu)化后得到最終天線的回波損耗結(jié)果。從圖中可以看出，該天線諧振在2.45 GHz，其工作頻段范圍為2.4～2.5 GHz，帶寬為100 MHz，諧振峰值[S11]為-28.96 dB，所設(shè)計(jì)的彎折樹(shù)脂縫隙天線能夠覆蓋RFID 2.45 GHz頻段范圍，滿足實(shí)際應(yīng)用中的需要。

圖10為仿真得到的諧振頻率2.45 GHz處的三維方向圖，從圖中可以看到，[xy]平面以上的空間內(nèi)主要有三個(gè)波瓣，中間的波瓣（[φ=]0°，即[xz]平面）向[x]軸上方傾斜28°（[θ=62°]），兩側(cè)的波瓣（[φ=38°]和[φ=322°]）均向上方傾斜22°（[θ=68°]），雖然中間的那個(gè)波瓣有稍許的分裂，但并不影響RFID閱讀器的識(shí)別，其歸一化二維方向圖如圖11所示。同時(shí)，通過(guò)仿真可得到該天線的最大增益為9.625 dB，說(shuō)明該天線是一個(gè)高增益天線。上述方向圖在ITS領(lǐng)域中能夠滿足RFID閱讀器部署的需要。例如，可將閱讀器安裝在車(chē)道兩側(cè)的燈柱上，則左、右兩側(cè)上傾的波瓣可使閱讀器與電子車(chē)牌相互通信；也可將閱讀器架設(shè)在收費(fèi)站車(chē)道上方，則中間上傾的波瓣可使閱讀器與電子車(chē)牌相互通信。

2.3 閱讀距離的估算

由于本文所設(shè)計(jì)的電子車(chē)牌中采用的有源RFID模塊ML?T80與文獻(xiàn)[11]中設(shè)計(jì)時(shí)所用相同。因此，根據(jù)仿真所得的最大增益和文獻(xiàn)[11]中所測(cè)量的閱讀距離，本文設(shè)計(jì)的電子車(chē)牌的讀取距離是容易估算的。

由RFID系統(tǒng)的功率傳輸方程[12]：

[Pr=λ（4πR）2PiGtGr] （1）

式中：[Pr]為接收天線的接收功率；[Pi]為發(fā)射天線的發(fā)射功率；[Gr]為接收天線的增益；[Gt]為發(fā)射天線的增益；[R]為收發(fā)天線間的距離；[λ]為工作波長(zhǎng)。

對(duì)于文獻(xiàn)[11]中的電子車(chē)牌，閱讀器天線的接收功率[Pr1]為：

[Pr1=λ（4πRmax，1）2PiGt1Gr] （2）

式中：[Rmax，1]為實(shí)際測(cè)量的最大閱讀距離，其值為92 m；[Gt1]為仿真得到的最大增益，其值為10.683 dB。

對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的電子車(chē)牌，閱讀器天線的接收功率[Pr2]為：

[Pr2=λ（4πRmax，2）2PiGt2Gr] （3）

式中：[Rmax，2]為估算的最大閱讀距離；[Gt2]為仿真得到的最大增益，其值為9.625 dB。

因?yàn)閮呻娮榆?chē)牌采用相同的有源RFID模塊，假設(shè)使用相同的閱讀器ML?M800，則由式（2）和式（3）可得：

[λ（4πRmax，1）2PiGt1Gr=λ（4πRmax，2）2PiGt2Gr] （4）

即：[Gt2Gt1=Rmax，2Rmax，12] （5）

式（5）兩邊取dB得：

[Gt2（dB）-Gt1（dB）=10lgRmax，2Rmax，12] （6）

將數(shù)據(jù)代入由式（6）得：[Rmax，2=82 ]m。由此可見(jiàn)，本文所設(shè)計(jì)的樹(shù)脂縫隙天線使得電子車(chē)牌的最大理論閱讀距離較遠(yuǎn)，能夠滿足ITS對(duì)閱讀距離的需求。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的彎折樹(shù)脂縫隙天線，不但將RFID模塊與電子車(chē)牌有效集為一體，而且彌補(bǔ)了空氣縫隙天線可能會(huì)因?yàn)闄C(jī)械強(qiáng)度不夠?qū)е伦冃螐亩绊懱炀€性能的局限性。通過(guò)仿真研究了設(shè)計(jì)該樹(shù)脂縫隙天線的一般規(guī)律，優(yōu)化后的天線能夠工作在RFID 2.45 GHz頻段，其方向圖和最大理論閱讀距離能夠滿足遠(yuǎn)距離車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別時(shí)通信的需要。

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