面向干式水表產(chǎn)品追溯的RFID 標(biāo)簽天線設(shè)計*

王 翠，洪 濤

(中國計量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引言

干式水表，是指水表計量機(jī)構(gòu)采用磁性元件傳動，計數(shù)器不與被計量水接觸的一種旋翼式水表，具有讀數(shù)清晰、抄表方便、計量精確、經(jīng)久耐用等特點，從而被廣泛采用[1-2]。為了保證干式水表的全生命周期產(chǎn)品追溯，必須將RFID 電子標(biāo)簽安裝在干式水表內(nèi)部，但干式水表內(nèi)部存在鼓輪轉(zhuǎn)動軸、葉輪磁片等金屬元件。在RFID 超高頻系統(tǒng)中，射頻信號對金屬環(huán)境[3-4]十分敏感，當(dāng)標(biāo)簽天線接近金屬表面時，因電磁感應(yīng)的影響，金屬會產(chǎn)生渦流[5-6]，生成自身感應(yīng)磁場，導(dǎo)致磁力線趨于平緩[7-8]，無法穿過標(biāo)簽天線，RFID 標(biāo)簽無響應(yīng)。這給應(yīng)用于干式水表的RFID 電子標(biāo)簽設(shè)計帶來了難度。一種用于手術(shù)刀的RFID 抗金屬標(biāo)簽天線[9]總體尺寸為66 mm×5 mm，采用短路短截線結(jié)構(gòu)，應(yīng)用高介電常數(shù)介質(zhì)基板達(dá)到小型化目的，可嵌入金屬或者貼敷于金屬表面，最大讀距為1 m，但該抗金屬標(biāo)簽天線尺寸較大，且讀距較小，不適用于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的干式水表。一種抗金屬標(biāo)簽應(yīng)用短路環(huán)偶極子天線結(jié)構(gòu)[10]，其尺寸為76 mm×3 mm，靠近金屬表面，采用FR4 材質(zhì)，在-10 dB 處帶寬為101 MHz，具有較好的抗金屬效果，但其天線結(jié)構(gòu)因干式水表固定裝置和機(jī)芯的干擾無法在水表中實現(xiàn)。

針對以上內(nèi)容，本文基于對T 型結(jié)構(gòu)、彎折加載、耦合結(jié)構(gòu)的特點分析，通過對常用彎折偶極子天線電小環(huán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，實現(xiàn)天線回波損耗調(diào)節(jié)，中心頻點的移動，可有效地調(diào)整標(biāo)簽天線適應(yīng)干式水表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，滿足產(chǎn)品追溯的識讀要求。

1 天線設(shè)計

1.1 標(biāo)簽的識別距離分析

標(biāo)簽天線能夠被讀寫器天線識讀的距離是標(biāo)簽天線在實際應(yīng)用中的重要指標(biāo)。其最大距離l 通過弗里斯(Friis)傳輸方程[11-12]計算得出：

式中，l 為讀寫器天線與標(biāo)簽之間的最大識讀距離，λ 為工作環(huán)境的波長，PT為讀寫器天線發(fā)射的功率，GT為讀寫器天線的增益，GR為標(biāo)簽天線增益，S11為標(biāo)簽天線饋電口的回波損耗，PTh為應(yīng)用芯片的最低激活功率。

通過式(1)可知，在保證讀寫器和標(biāo)簽芯片一致的情況下，標(biāo)簽天線最大識讀距離由標(biāo)簽天線的回波損耗和增益決定。

1.2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

干式水表的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。水表上半部分由保護(hù)罩、機(jī)芯以及機(jī)芯的上下殼組成，材質(zhì)均為塑料，其下半部分為表體，材質(zhì)為金屬黃銅。由于水表內(nèi)部空間狹小且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難采購到適用的RFID 電子標(biāo)簽將其安裝在表內(nèi)，以實現(xiàn)產(chǎn)品追溯。因此本文需要設(shè)計一款可抗金屬影響的RFID 電子標(biāo)簽，同時體積盡可能小。

圖1 干式水表結(jié)構(gòu)圖

RFID 標(biāo)簽由基板、標(biāo)簽芯片、標(biāo)簽天線組成[13]。為了加工方便，本次設(shè)計基板選用FR4 材質(zhì)；芯片采用Alien Higgs4 芯片，該芯片阻抗為26-199 jΩ，體積小且具有較少的引腳個數(shù)，數(shù)據(jù)可保存50 年，能滿足本次設(shè)計需要；標(biāo)簽天線設(shè)計則要綜合考慮抗金屬、體積、讀寫性能等各因素。文獻(xiàn)[14]提出了一種偶極子天線，可實現(xiàn)較好的抗金屬效果；文獻(xiàn)[15]提出在滿足天線諧振頻率的前提下，通過對偶極子天線進(jìn)行彎折，可減小天線的尺寸，適應(yīng)各種不同的空間結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[16]進(jìn)一步對彎折偶極子天線的彎折次數(shù)、彎折高度和彎折角度進(jìn)行了研究，可實現(xiàn)在減小體積的同時改善讀寫性能，但其指的是對彎折偶極子輻射臂的彎折，在固定基板結(jié)構(gòu)上完成天線的參數(shù)指標(biāo)較為受限；文獻(xiàn)[11]通過改變饋電方式可實現(xiàn)標(biāo)簽天線性能的提高，如T 型饋電、Y型饋電、耦合饋電，但這些饋電結(jié)構(gòu)在本文中因干式水表表芯和固定裝置的限制并不適用。故本文在如圖2所示常用彎折偶極子天線的基礎(chǔ)上，應(yīng)用彎折加載和改變饋電結(jié)構(gòu)的方式對饋電口所在的電小環(huán)進(jìn)行內(nèi)凹彎折設(shè)計，見圖3?？傮w設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)圖見圖4，外形尺寸為54 mm×11 mm。電子標(biāo)簽可嵌入到干式水表中，安裝示意圖見圖5。

圖2 常用彎折偶極子天線

圖3 電小環(huán)內(nèi)凹彎折結(jié)構(gòu)

圖4 標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)模型圖

圖5 干式水表結(jié)構(gòu)模型圖

2 標(biāo)簽天線的參數(shù)分析與優(yōu)化

基于標(biāo)簽天線最大識讀距離分析和標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)設(shè)計，為尋求本文所設(shè)計標(biāo)簽天線電小環(huán)的內(nèi)凹彎折結(jié)構(gòu)參數(shù)對回波損耗、中心頻點的影響，在保證其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，應(yīng)用Ansofot HFSS16.2 天線對本文所設(shè)計標(biāo)簽天線電小環(huán)的部分參數(shù)H2、L1、L3進(jìn)行分析與優(yōu)化。在天線結(jié)構(gòu)參數(shù)H4不變的情況下，彎折結(jié)構(gòu)內(nèi)凹深度用H4=1.6 mm+a 表示。由于在天線結(jié)構(gòu)參數(shù)L5、L2不變的條件下L1和L3相互約束，其具體關(guān)系為L1=0.6 mm+b、L3=5.1 mm-b。于 是 對 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù)H2、L1、L3分析轉(zhuǎn)化為對變量a、b 進(jìn)行相關(guān)仿真及分析，a 和b的范圍分別為a∈[0，0.2]，b∈[0，0.8]。在基板結(jié)構(gòu)和尺寸限制下，該天線的主要參數(shù)范圍如表1 所示。仿真結(jié)果如圖6 和圖7 所示。

表1 天線的主要參數(shù)取值范圍

為直觀表征標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，對于L1取經(jīng)驗值1.2 mm。L1保持不變的情況下，對本文所設(shè)計的彎折偶極子天線結(jié)構(gòu)參數(shù)H2變化即動態(tài)變量a 變化的回波損耗見圖6。從圖6中可知，參數(shù)H2變化對天線的中心頻率和回波損耗均存在著影響，其中a=0.2 mm，即H2=1.8 mm 時中心頻點達(dá)到1.04 GHz，回波損耗值為-33.44 dB。當(dāng)a=0.12 mm，即H2=1.72 mm的中心頻點為1.03 GHz，回波損耗為-29.22 dB。故結(jié)構(gòu)參數(shù)H2對中心頻率影響較小，當(dāng)H2=1.8 mm 時回波損耗最低。由于標(biāo)簽天線基板結(jié)構(gòu)的限制，結(jié)構(gòu)參數(shù)H2不能無限制加大，H2只能限制在小于等于1.8 mm的范圍內(nèi)，且仿真時a的變化步長為0.04 mm，故該結(jié)構(gòu)參數(shù)對回波損耗影響較大，可有效提高標(biāo)簽天線的最大識讀距離。

圖6 標(biāo)簽天線變量參數(shù)a 變化的回波損耗

同樣對于H2取經(jīng)驗值1.8 mm。H2保持不變，對天線結(jié)構(gòu)參數(shù)L1、L3即變量參數(shù)b 變化的回波損耗進(jìn)行仿真，其變化步長為0.2 mm。標(biāo)簽天線變量參數(shù)b 變化的回波損耗見圖7。由圖7 可知，當(dāng)b=0.6 mm，即L1=1.2 mm，L3=4.5 mm，回波損耗為-33.452 dB，中心頻點為1.04 GHz；當(dāng)b=0.4 mm，即L1=1.0 mm，L3=4.1 mm，其回波損耗為-28.45 dB，中心頻點為1.03 GHz。故結(jié)構(gòu)參數(shù)L1、L3對中心頻率影響較?。划?dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)L1=1.2 mm，L3=4.5 mm時，回波損耗最低。由于變量參數(shù)b 變化步長0.2 mm 高于變量參數(shù)a 變化步長0.02 mm，故結(jié)構(gòu)參數(shù)L1、L3對天線的回波損耗影響較低，對有效提高標(biāo)簽最大識讀距離影響較小。

圖7 標(biāo)簽天線變量參數(shù)b 變化的回波損耗

綜上所述，根據(jù)L1、L3、H2對標(biāo)簽天線回波損耗的影響，對其進(jìn)行參數(shù)調(diào)優(yōu)。調(diào)優(yōu)結(jié)果：當(dāng)H2=1.8 mm 和L1=1.2 mm，L3=4.5 mm 時回波損耗最低，根據(jù)式(1)，標(biāo)簽天線得到最大的識讀距離與回波損耗成負(fù)相關(guān)，故此時標(biāo)簽天線得到識讀距離最大。

3 實驗驗證與分析

3.1 標(biāo)簽天線實際距離測試

基于以上天線仿真試驗，本文設(shè)計標(biāo)簽天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)H2=1.8 mm 和L1=1.2 mm、L3=4.5 mm，其回波損耗、增益仿真結(jié)果如圖8 所示。從仿真結(jié)果可以看出天線的中心頻點為1.04 GHz，當(dāng)回波損耗低于-15 dB，帶寬為930 MHz～1.07 GHz。

圖8 天線回波損耗仿真

將標(biāo)簽天線嵌入到干式水表中，采用Alien 定向讀寫器天線測試，其工作頻率為922.5 MHz，發(fā)射功率為1 W，增益為8.6 dBi，測試場景如圖9 所示。實際最大識讀距離為3.2 m，滿足實際需求。

圖9 標(biāo)簽天線的距離測試場景

3.2 標(biāo)簽天線最低激活功率測試

本文所設(shè)計天線應(yīng)用Ansofot HFSS16.2 仿真，中心頻點為1.04 GHz，實際最大識讀距離為3.2 m，但是不能確定其實際中心頻點是否在920 MHz 附近。根據(jù)式(1)，當(dāng)讀距l(xiāng) 確定時，最低激活功率PT與回波損耗成正相關(guān)，即最低激活功率P 和回波損耗S11的趨勢一致，因此通過在微波暗室中測試裸標(biāo)簽和放入干式水表標(biāo)簽在800 MHz～940 MHz 范圍的最低激活功率驗證實際環(huán)境中的中心頻點。其測試場景見圖10 和圖11。

圖10 裸標(biāo)簽天線測試場景

圖11 放入干式水表的標(biāo)簽天線測試場景

隨機(jī)抽取6 個標(biāo)簽天線，對裸標(biāo)簽和放入干式水表的標(biāo)簽進(jìn)行測試，測試結(jié)果見圖12 和圖13。根據(jù)圖12裸標(biāo)簽在認(rèn)可度可偏移2 dBm的條件下，中心頻點為870 MHz，帶寬達(dá)80 MHz 左右，最低激活功率達(dá)6.5 dBm。由圖13 可知，放入干式水表的標(biāo)簽在認(rèn)可度可偏移2 dBm的條件下，帶寬在60 MHz 左右，帶寬變小，中心頻點右移，為900 MHz，接近920 MHz，在國家超高頻頻段范圍內(nèi)，且最低激活功率在6 dBm 左右，故通過HFSS 仿真的中心頻點為1.04 GHz的標(biāo)簽天線符合在實際應(yīng)用中需求。

圖12 裸標(biāo)簽天線測試結(jié)果

圖13 放入干式水表的標(biāo)簽天線測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對干式水表復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在PCB RFID 彎折偶極子天線的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種內(nèi)凹彎折的電小環(huán)結(jié)構(gòu)，尺寸為54 mm×11 mm，讀距離為3.2 m，在完成天線小型化設(shè)計的同時滿足了金屬類干式水表產(chǎn)品追溯的現(xiàn)實要求。另一方面，本文所設(shè)計的內(nèi)凹彎折電小環(huán)結(jié)構(gòu)為彎折偶極子天線適用不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了新的思路，未來可將其推廣至更多的應(yīng)用領(lǐng)域。