基于RFID UHF頻段的車輛防拆無源電子標簽分析與設計

摘要：為更好地將物聯網的核心技術RFID應用于智能交通領域，達到更方便、更準確和更快捷地管理車輛的目的，從電子標簽的理論開始，論述了電子標簽的設計方法，詳細分析了電子標簽相關的參數，并采用電磁仿真軟件HFSS對標簽進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簽，該標簽已經被中國國家知識產權局認定為實用新型專利，仿真結果與測量結果表明，該標簽性能穩(wěn)定、接收靈敏度高，并且具有防拆性，達到UHF頻段RFID電子標簽的設計要求。
關鍵詞：RFID；UHF；陶瓷；共軛匹配；標簽天線；ETC

0 引言
射頻識別RFID這幾年在國內有了很大發(fā)展，應用日益廣泛，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的工作距離遠大于LF和HF，在很多領域已取得了突破性應用。目前路橋收費主要還是人工收費，效率低，安全性差，現在也有部分使用更為方便的高頻RFID路橋收費技術，但鑒于其識別距離并不理想，沒有從本質上解決不停車收費(Electronic Toll Collection，ETC)這一難題，UHF電子標簽替代HF電子標簽是必然的趨勢。
因此，特提出了一款UHF車輛無源陶瓷防拆電子標簽，該標簽的出現解決了這一技術難題，UHF標簽不但具有高增益，靈敏度高，而且在很小的能量下，能夠正常工作。本文從電子標簽的理論開始，論述了電子標簽的設計方法，力求在特定的尺寸內設計出高增益、高效率、高穩(wěn)定性，根據電磁理論與天線理論，設計并且加工出車輛防拆電子標簽的實物。從阻抗匹配問題上，詳細分析了電子標簽的各個參數對于電子標簽性能的影響。

1 電子標簽的設計
1．1 電子標簽的理論
UHF電子標簽天線一般是由天線與芯片組成，芯片被焊接在標簽天線的終端，作為終端負載。本文所設計的電子標簽可以等效為一個變形的偶極子天線，終端接芯片。因此標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，標簽天線輸入阻抗與芯片的輸入阻抗都是復數，其阻抗匹配過程更為復雜。電子標簽簡化后的等效電路模型如圖1所示。

圖1中Vs表示標簽天線接收的能量(用電壓表示)，Zant和Zchip分別表示標簽天線的輸入阻抗芯片的輸入阻抗。其中：
Zant=Ra+jXa；Zchip=Rc+jXc
芯片從標簽天線處獲得能量：

因此RFID電子標簽天線的阻抗必須要與芯片的共軛阻抗匹配，以實現電子標簽的最佳工作性能。
1．2 電子標簽的設計
RFID芯片選擇MONZA4 QT芯片，根據其資料芯片在923 MHz的阻抗為Zchip=12-j142，陶瓷基板相對介電常數為9．8，損耗角正切忽略不計。工作頻率為中國標準頻段920．5～924．5 MHz，由此設計了一款RFID車輛專用陶瓷標簽實物，陶瓷標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致其被破壞的可能性，增強防拆作用。“工”型縫隙對于標簽天線的阻抗影響最大，通過調節(jié)縫隙的參數D1，W1，D2，W2來改變標簽天線的阻抗，使之達到與芯片阻抗共軛匹配，反射系數S11最小，這是本文提到的電子標簽的設計思路。

基于有限元方法和電磁場理論，利用電磁仿真軟件HFSS設計出了符合要求的電子標簽，各參數如表1所示。