基于RFID UHF頻段的車輛防拆無源電子標(biāo)簽分析與設(shè)計(jì)
摘要:為更好地將物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)RFID應(yīng)用于智能交通領(lǐng)域,達(dá)到更方便、更準(zhǔn)確和更快捷地管理車輛的目的,從電子標(biāo)簽的理論開始,論述了電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)方法,詳細(xì)分析了電子標(biāo)簽相關(guān)的參數(shù),并采用電磁仿真軟件HFSS對標(biāo)簽進(jìn)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(biāo)簽,該標(biāo)簽已經(jīng)被中國國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局認(rèn)定為實(shí)用新型專利,仿真結(jié)果與測量結(jié)果表明,該標(biāo)簽性能穩(wěn)定、接收靈敏度高,并且具有防拆性,達(dá)到UHF頻段RFID電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞:RFID;UHF;陶瓷;共軛匹配;標(biāo)簽天線;ETC
0 引言
射頻識(shí)別RFID這幾年在國內(nèi)有了很大發(fā)展,應(yīng)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(yuǎn)大于LF和HF,在很多領(lǐng)域已取得了突破性應(yīng)用。目前路橋收費(fèi)主要還是人工收費(fèi),效率低,安全性差,現(xiàn)在也有部分使用更為方便的高頻RFID路橋收費(fèi)技術(shù),但鑒于其識(shí)別距離并不理想,沒有從本質(zhì)上解決不停車收費(fèi)(Electronic Toll Collection,ETC)這一難題,UHF電子標(biāo)簽替代HF電子標(biāo)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(biāo)簽,該標(biāo)簽的出現(xiàn)解決了這一技術(shù)難題,UHF標(biāo)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(biāo)簽的理論開始,論述了電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)方法,力求在特定的尺寸內(nèi)設(shè)計(jì)出高增益、高效率、高穩(wěn)定性,根據(jù)電磁理論與天線理論,設(shè)計(jì)并且加工出車輛防拆電子標(biāo)簽的實(shí)物。從阻抗匹配問題上,詳細(xì)分析了電子標(biāo)簽的各個(gè)參數(shù)對于電子標(biāo)簽性能的影響。
1 電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)
1.1 電子標(biāo)簽的理論
UHF電子標(biāo)簽天線一般是由天線與芯片組成,芯片被焊接在標(biāo)簽天線的終端,作為終端負(fù)載。本文所設(shè)計(jì)的電子標(biāo)簽可以等效為一個(gè)變形的偶極子天線,終端接芯片。因此標(biāo)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(biāo)簽天線輸入阻抗與芯片的輸入阻抗都是復(fù)數(shù),其阻抗匹配過程更為復(fù)雜。電子標(biāo)簽簡化后的等效電路模型如圖1所示。
圖1中Vs表示標(biāo)簽天線接收的能量(用電壓表示),Zant和Zchip分別表示標(biāo)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(biāo)簽天線處獲得能量:
因此RFID電子標(biāo)簽天線的阻抗必須要與芯片的共軛阻抗匹配,以實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽的最佳工作性能。
1.2 電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)
RFID芯片選擇MONZA4 QT芯片,根據(jù)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(shù)為9.8,損耗角正切忽略不計(jì)。工作頻率為中國標(biāo)準(zhǔn)頻段920.5~924.5 MHz,由此設(shè)計(jì)了一款RFID車輛專用陶瓷標(biāo)簽實(shí)物,陶瓷標(biāo)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(shí)別。陶瓷基板另一個(gè)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(dǎo)致其被破壞的可能性,增強(qiáng)防拆作用。“工”型縫隙對于標(biāo)簽天線的阻抗影響最大,通過調(diào)節(jié)縫隙的參數(shù)D1,W1,D2,W2來改變標(biāo)簽天線的阻抗,使之達(dá)到與芯片阻抗共軛匹配,反射系數(shù)S11最小,這是本文提到的電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)出了符合要求的電子標(biāo)簽,各參數(shù)如表1所示。
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