0 引言

    在智能制造的推進(jìn)與發(fā)展過(guò)程中，射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification,，RFID)技術(shù)被越來(lái)越多地應(yīng)用于智能儀表的信息追溯中,。作為RFID技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)之一，標(biāo)簽天線的安裝及其性能對(duì)整個(gè)智能儀表信息追溯系統(tǒng)起到至關(guān)重要的作用,。目前,，Alien、Impinj,、遠(yuǎn)望谷等國(guó)內(nèi)外廠商均有各自的RFID標(biāo)簽天線解決方案,，但多數(shù)獨(dú)立的標(biāo)簽天線并不能適應(yīng)儀表的小型化需求，因此在追溯產(chǎn)品信息的過(guò)程中多使用懸掛,、貼附等方式,，使得標(biāo)簽一般具有安裝難度大、易脫落,、安裝后性能下降等缺點(diǎn),。

    在此背景下，最好的解決方法就是使用類似貼片天線的方案將標(biāo)簽天線蝕刻在智能儀表的印刷電路板(Printed Circuit Board,，PCB)上,。在貼片天線的設(shè)計(jì)方法研究中，ABBOSH A給出了一種印刷電路板的介電常數(shù)精確計(jì)算方法用于量化電路板對(duì)標(biāo)簽天線性能的影響^[1],；汪鑫使用等效介電常數(shù)簡(jiǎn)化微帶天線的設(shè)計(jì)過(guò)程^[2],。在天線設(shè)計(jì)實(shí)踐中，代孝俊,、盧善勇,、BAEK J J等將各自所設(shè)計(jì)天線在工作時(shí)所放置的殼體納入仿真設(shè)計(jì)^[3-5]。但目前所設(shè)計(jì)的天線大多獨(dú)立于所追溯設(shè)備的PCB板之外,，設(shè)計(jì)者并沒(méi)有考慮智能儀表PCB板及布線等環(huán)境因素對(duì)標(biāo)簽天線產(chǎn)生的影響,，主要表現(xiàn)在印刷電路板尺寸規(guī)格的變化導(dǎo)致的頻點(diǎn)偏移、儀表自身蝕刻電路的存在破壞阻抗匹配,、儀表殼體降低信號(hào)強(qiáng)度等方面,，最終在實(shí)際使用中出現(xiàn)識(shí)別距離下降等問(wèn)題。

    本文以智能電表為研究對(duì)象,，將RFID標(biāo)簽天線蝕刻在智能電表的PCB板上,，綜合考慮智能電表PCB板,、蝕刻電路、殼體等因素,，分析智能儀表的PCB板對(duì)天線諧振頻點(diǎn)變化的影響,，研究蝕刻電路與標(biāo)簽天線的耦合關(guān)系，并給出天線優(yōu)化方案,，最終設(shè)計(jì)一款滿足實(shí)用要求的集成于智能儀表PCB板的RFID標(biāo)簽天線(以下簡(jiǎn)稱“標(biāo)簽天線”),。

1 標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)及優(yōu)化方案

1.1 智能電表及標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)

    本文所提出的標(biāo)簽天線蝕刻于智能電表PCB板上空余部分，標(biāo)簽天線上方及背面為智能電表蝕刻電路,，PCB板置于智能電表殼體內(nèi),，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

    智能電表PCB板采用相對(duì)介電常數(shù)為4.4的FR-4介質(zhì)基板,，尺寸為88 mm×52 mm×1 mm,。殼體使用材料為聚四氟乙烯，其相對(duì)介電常數(shù)為2.08,，殼體的尺寸為110 mm×150 mm×60 mm,。

    綜合考慮PCB板與蝕刻電路等復(fù)雜環(huán)境對(duì)標(biāo)簽天線的影響，同時(shí)標(biāo)簽天線應(yīng)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、便于調(diào)整等特點(diǎn),，本文選用了帶有匹配環(huán)結(jié)構(gòu)的彎折偶極子標(biāo)簽天線作為本次RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)的基本模型，PCB板上的標(biāo)簽天線基本構(gòu)思如圖2所示,。

    RFID天線采用對(duì)稱結(jié)構(gòu),，由匹配環(huán)、彎折偶極子,、末端加載3個(gè)單元組成,，饋電端口處使用Alien Higgs3射頻芯片連接于匹配環(huán)上，Alien Higgs3射頻芯片阻抗為26+199j Ω,。各單元結(jié)構(gòu)參數(shù)的符號(hào)已由圖3給出,，其中匹配環(huán)與彎折偶極子上未標(biāo)明的走線寬度均為W₁。

1.2 標(biāo)簽天線模型與性能分析

    識(shí)別距離是標(biāo)簽天線在實(shí)際應(yīng)用中最重要的指標(biāo)之一,。標(biāo)簽天線的最大讀取距離r可以通過(guò)FRIIS公式給出^[6]：

其中,，λ為讀寫器發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)，P_t為讀寫器天線發(fā)射功率,，G_t為讀寫器天線增益,，P_th為射頻芯片的門限激活功率，G_r為標(biāo)簽天線的增益,，S₁₁為天線端口的回波損耗,。

    由式(1)可以看出，在不考慮讀寫器與射頻芯片等外部條件的情況下,，標(biāo)簽天線的最大讀取距離由其回波損耗與增益所決定,。

    天線端口的回波損耗由饋電端口的等效阻抗Z_a與射頻芯片阻抗Z_c共同決定,，如式(2)所示：

    不同于一般情況，由于本文所設(shè)計(jì)標(biāo)簽天線集成于智能電表PCB板上,，復(fù)雜的電路環(huán)境不僅使得標(biāo)簽天線諧振頻點(diǎn)偏移到工作頻段之外,，還使得阻抗匹配發(fā)生改變，最終導(dǎo)致工作頻段上的S11變差,。同時(shí),，殼體的存在一定程度上降低了電磁波的信號(hào)強(qiáng)度,。上述因素都會(huì)導(dǎo)致標(biāo)簽天線讀取距離的降低,，因此需要對(duì)標(biāo)簽天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

1.3 標(biāo)簽天線優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

    為使標(biāo)簽天線達(dá)到正常工作距離,，本文對(duì)標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案如圖4所示,。針對(duì)實(shí)際場(chǎng)景中頻點(diǎn)偏移與阻抗失配的問(wèn)題，研究?jī)烧弋a(chǎn)生原因與作用機(jī)理,，明確天線結(jié)構(gòu)參數(shù)與兩者的關(guān)系,。同時(shí)，針對(duì)信號(hào)強(qiáng)度降低問(wèn)題,，采用增加末端加載面積的方法,，最終將標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)完成。

2 標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析與優(yōu)化

    對(duì)于集成于智能電表的標(biāo)簽天線,，介質(zhì)基板,、設(shè)備殼體、蝕刻電路等影響因素的存在將會(huì)從多個(gè)方面對(duì)標(biāo)簽性能造成影響,，從而導(dǎo)致標(biāo)簽天線性能大幅度下降,。因此，需要明確各項(xiàng)影響因素的作用機(jī)理并根據(jù)射頻理論消除各影響因素造成的性能下降問(wèn)題,。

2.1 頻點(diǎn)偏移及其解決方法的研究

    對(duì)于普通直線型結(jié)構(gòu)偶極子天線而言,，其諧振頻率f₀與偶極子天線長(zhǎng)度L的關(guān)系由下式給出^[7]：

其中，c為真空中的光速,；ε_e為基板的等效介電常數(shù),，在本文中其值是由空氣介電常數(shù)(ε₀≈1）、介質(zhì)基板相對(duì)介電常數(shù)(ε₁=4.4),、設(shè)備殼體相對(duì)介電常數(shù)(ε₂=2.08)共同作用產(chǎn)生的,。由此可以看出：同一天線在不同環(huán)境下發(fā)生頻點(diǎn)偏移的主要原因是由于環(huán)境的變化導(dǎo)致基板的等效介電常數(shù)發(fā)生了改變。同時(shí),，在基板的等效介電常數(shù)改變后,，可以通過(guò)改變偶極子天線長(zhǎng)度來(lái)保持諧振頻率的不變。

    為進(jìn)一步明確該智能電表環(huán)境中介電常數(shù)對(duì)天線長(zhǎng)度與諧振頻率關(guān)系的影響,，通過(guò)實(shí)驗(yàn)收集各天線長(zhǎng)度及環(huán)境下的S₁₁值,。出于減小天線尺寸的目的^[8],，本文使用彎折偶極子單元替代直線型結(jié)構(gòu)，因此本文所述天線長(zhǎng)度L為彎折偶極子各彎折部分長(zhǎng)度之和,。不同環(huán)境及天線長(zhǎng)度下的S₁₁曲線如圖5所示,。

    圖5中，L為放入智能電表中不同長(zhǎng)度的RFID天線的S₁₁曲線,，L′為沒(méi)有放入智能電表中的長(zhǎng)度為73.5 mm的RFID天線,。從圖中可以看出，隨著RFID天線進(jìn)入實(shí)際環(huán)境,，長(zhǎng)度為73.5 mm的標(biāo)簽諧振頻率從915 MHz向下偏移了74 MHz,，由此可以推算出隨著RFID天線放入智能電表，ε_e增大為原來(lái)的1.18倍,。

    同時(shí),，比較不同長(zhǎng)度下天線的諧振頻點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)降低天線長(zhǎng)度,，可以對(duì)偏移的諧振頻點(diǎn)進(jìn)行修正,，使其進(jìn)入射頻芯片860 MHz~960 MHz的工作頻段。另一方面,，天線的小型化直接受益于長(zhǎng)度的縮短,。

2.2 阻抗模型及阻抗優(yōu)化方法的提出與驗(yàn)證

    對(duì)于本文所提出的標(biāo)簽天線，其等效阻抗由匹配環(huán)阻抗,、彎折偶極子阻抗,、末端加載阻抗3個(gè)單元組成，等效電路如圖6所示,。

    在標(biāo)簽天線等效電路圖中,，Z₁為匹配環(huán)阻抗，Z₂為彎折偶極子阻抗,，Z₃為末端加載阻抗,。從圖2可以看出，Z₂與Z₃處于串聯(lián)狀態(tài),，而Z₁與前兩者之間可以在圖3中等效為一個(gè)匝數(shù)比為(1+a)²:1的變壓器模型^[9],，且a與L₂的長(zhǎng)度密切相關(guān)^[10]。此時(shí),，標(biāo)簽天線在饋電端口等效阻抗Z_a可以表示為：

    由式(4)可以看出,，Z_a不僅與標(biāo)簽天線3個(gè)單元的阻抗相關(guān)，還受到耦合強(qiáng)度a的影響,。由于智能電表蝕刻電路與標(biāo)簽天線都是由銅構(gòu)成,，蝕刻電路的存在必然會(huì)導(dǎo)致標(biāo)簽天線各單元產(chǎn)生耦合電容，從而導(dǎo)致阻抗發(fā)生相應(yīng)變化。因此,，本文中所提到的阻抗失配現(xiàn)象必然與上述變量相關(guān),。

    為進(jìn)一步研究蝕刻電路對(duì)標(biāo)簽天線所造成的影響，本文將蝕刻電路等效為一條靠近標(biāo)簽天線的金屬橫條,，橫條加載的RFID天線示意圖如圖7所示,。

    圖7中，由于天線上部出現(xiàn)金屬橫條,，導(dǎo)致工作時(shí)天線上的電荷在圖7中陰影部分聚集,，天線各單元耦合電容發(fā)生改變^[11]，從而使得式(4)中Z₁,、Z₂,、Z₃發(fā)生變化，最終改變Za的值并導(dǎo)致阻抗失配的發(fā)生,。

    為改善上述情況并得到合理的天線阻抗,，本文考慮從耦合強(qiáng)度入手,，通過(guò)重新調(diào)整天線耦合強(qiáng)度來(lái)改善標(biāo)簽天線阻抗,，使其重新達(dá)到阻抗匹配。

    為此,，分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了無(wú)蝕刻電路,、有蝕刻電路及有蝕刻電路且改變L₂長(zhǎng)度后的標(biāo)簽天線阻抗隨頻率的變化關(guān)系，如圖8所示,。

    圖8中,，R為標(biāo)簽天線阻抗的電阻部分，X為標(biāo)簽天線阻抗的電抗部分,。對(duì)比圖8(a),、圖8(b)可以看出，蝕刻電路的出現(xiàn)導(dǎo)致標(biāo)簽天線阻抗值的急劇增加,，驗(yàn)證了橫條加載的模型假設(shè),，此時(shí)發(fā)生阻抗失配的現(xiàn)象成為必然。

    為使受蝕刻電路影響的標(biāo)簽天線阻抗重新達(dá)到與射頻芯片阻抗共軛匹配的狀態(tài),，根據(jù)式(4)給出的基本原理,，本文通過(guò)改變標(biāo)簽天線的耦合強(qiáng)度來(lái)重新調(diào)節(jié)各單元阻抗發(fā)生變化后的標(biāo)簽天線阻抗。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比后發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)天線結(jié)構(gòu)參數(shù)L2可以有效調(diào)節(jié)標(biāo)簽天線的耦合強(qiáng)度,。圖8(c)給出了調(diào)節(jié)L₂后的標(biāo)簽天線阻抗,，對(duì)比圖8(b)可以看出隨著L₂增大，標(biāo)簽天線的阻抗明顯降低,，且阻抗電阻與電抗曲線相對(duì)位置近似于圖8(a),，說(shuō)明通過(guò)改變L₂的長(zhǎng)度可以有效抵消蝕刻電路對(duì)標(biāo)簽天線的影響。

2.3 信號(hào)強(qiáng)度降低的解決方法

    根據(jù)何軍,、FAUDZI N M等人的研究成果^[12-13],，本文在彎折偶極子單元后設(shè)置末端加載,，通過(guò)一個(gè)較大的輻射貼片來(lái)聚集更多電荷，從而增加RFID天線的等效電容,。更大的電容使得天線的容抗進(jìn)一步下降,，使得RFID天線針對(duì)大容抗的Alien Higgs3芯片更容易達(dá)到共軛匹配。同時(shí),，末端加載可以有效提高RFID天線雷達(dá)截面積,，增加RFID天線增益。通過(guò)增益的提高與回波損耗的降低兩個(gè)方面補(bǔ)償殼體帶來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度損失,。

3 標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)結(jié)果及性能

    通過(guò)第2節(jié)的分析,，經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化得到天線的最佳設(shè)計(jì)尺寸，如表1所示,。

    最終設(shè)計(jì)完成的嵌入智能電表后的RFID標(biāo)簽天線參數(shù)指標(biāo)如圖9所示,。

    從圖9中可以看出，嵌入智能電表后的標(biāo)簽天線諧振頻點(diǎn)為920 MMz,，此時(shí)S₁₁為-29.69 dB,，諧振頻點(diǎn)上的天線輸入阻抗為16.87+j207.78 Ω，表明其與射頻芯片的匹配程度極好,，能量傳輸效率在95%以上,。在860 MHz~960 MHz的頻段內(nèi)，S₁₁均滿足小于-15 dB的指標(biāo),，其相對(duì)帶寬為11%,，滿足信息追溯過(guò)程中的帶寬要求。標(biāo)簽天線最大增益達(dá)到2.71 dB,，滿足全向性要求,。

4 結(jié)論

    針對(duì)智能電表信息追溯過(guò)程中標(biāo)簽天線出現(xiàn)的安裝難度大、易脫落,、安裝后性能下降等問(wèn)題,，本文提出一種直接蝕刻在智能電表PCB板上的標(biāo)簽天線。為解決該環(huán)境下讀取距離降低的問(wèn)題,，本文經(jīng)過(guò)對(duì)標(biāo)簽天線頻點(diǎn)偏移,、阻抗失配現(xiàn)象的理論分析，明確現(xiàn)象產(chǎn)生原因并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提出針對(duì)性解決方案,。同時(shí)借鑒已有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),，進(jìn)一步增大末端加載面積以降低殼體帶來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度損失。最終將標(biāo)簽天線諧振頻率控制在920 MHz,，天線阻抗調(diào)整為16.87+j207.78 Ω,，與射頻芯片匹配性能良好，使得標(biāo)簽天線在不同國(guó)家的工作頻段上均具有良好的回波損耗，同時(shí)天線方向性基本滿足全向性要求,。

    本文使用智能電表作為研究對(duì)象為智能儀表在信息追溯過(guò)程中的標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了參考的思路與方法,，但也存在一定程度的局限性，如本文并未將電子元器件考慮在內(nèi),，特別是電路中可能存在的對(duì)RFID性能影響較大的感性元件,。

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作者信息:

賀則昊1,，洪  濤1,，陳家焱1，蔣天齊2

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院,，浙江 杭州310018,；2.杭州質(zhì)慧信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州310018)