基于RFID UHF頻段的車(chē)輛防拆無(wú)源電子標簽分析與設計

摘要：為更好地將物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)RFID應用于智能交通領(lǐng)域，達到更方便、更準確和更快捷地管理車(chē)輛的目的，從電子標簽的理論開(kāi)始，論述了電子標簽的設計方法，詳細分析了電子標簽相關(guān)的參數，并采用電磁仿真軟件HFSS對標簽進(jìn)行了仿真并加工出一款UHF頻段RFID車(chē)輛無(wú)源陶瓷防拆電子標簽，該標簽已經(jīng)被中國國家知識產(chǎn)權局認定為實(shí)用新型專(zhuān)利，仿真結果與測量結果表明，該標簽性能穩定、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(guān)鍵詞：RFID；UHF；陶瓷；共軛匹配；標簽天線(xiàn)；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(lái)了極大的方便。RFID按工作頻段分為L(cháng)F，HF，UHF和微波段，其中UHF的工作距離遠大于LF和HF，在很多領(lǐng)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(shù)，但鑒于其識別距離并不理想，沒(méi)有從本質(zhì)上解決不停車(chē)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(chē)輛無(wú)源陶瓷防拆電子標簽，該標簽的出現解決了這一技術(shù)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(kāi)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、高穩定性，根據電磁理論與天線(xiàn)理論，設計并且加工出車(chē)輛防拆電子標簽的實(shí)物。從阻抗匹配問(wèn)題上，詳細分析了電子標簽的各個(gè)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(xiàn)一般是由天線(xiàn)與芯片組成，芯片被焊接在標簽天線(xiàn)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(gè)變形的偶極子天線(xiàn)，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(xiàn)，其阻抗匹配一般為50 Ω或75 Ω，但是，標簽天線(xiàn)輸入阻抗與芯片的輸入阻抗都是復數，其阻抗匹配過(guò)程更為復雜。電子標簽簡(jiǎn)化后的等效電路模型如圖1所示。

圖1中Vs表示標簽天線(xiàn)接收的能量(用電壓表示)，Zant和Zchip分別表示標簽天線(xiàn)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(xiàn)處獲得能量：

因此RFID電子標簽天線(xiàn)的阻抗必須要與芯片的共軛阻抗匹配，以實(shí)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(chē)輛專(zhuān)用陶瓷標簽實(shí)物，陶瓷標簽要粘到汽車(chē)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(kāi)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(chēng)狀，因此輻射到空氣中的場(chǎng)形也是比較均勻的，從而便于讀寫(xiě)器的識別。陶瓷基板另一個(gè)背面上刻有若干凹槽，通過(guò)在陶瓷基板上形成凹槽可以顯著(zhù)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(xiàn)的阻抗影響最大，通過(guò)調節縫隙的參數D1，W1，D2，W2來(lái)改變標簽天線(xiàn)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(chǎng)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。