0 引言

    在智能制造的推進(jìn)與發(fā)展過程中，射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)被越來越多地應(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整個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)精確計算方法用于量化電路板對標(biāo)簽天線性能的影響^[1]；汪鑫使用等效介電常數(shù)簡化微帶天線的設(shè)計過程^[2]。在天線設(shè)計實(shí)踐中，代孝俊、盧善勇、BAEK J J等將各自所設(shè)計天線在工作時所放置的殼體納入仿真設(shè)計^[3-5]。但目前所設(shè)計的天線大多獨(dú)立于所追溯設(shè)備的PCB板之外，設(shè)計者并沒有考慮智能儀表PCB板及布線等環(huán)境因素對標(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、儀表殼體降低信號強(qiáng)度等方面，最終在實(shí)際使用中出現(xiàn)識別距離下降等問題。

    本文以智能電表為研究對象，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(以下簡稱“標(biāo)簽天線”)。

1 標(biāo)簽天線設(shè)計及優(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)境對標(biāo)簽天線的影響，同時標(biāo)簽天線應(yīng)具備結(jié)構(gòu)簡單、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天線采用對稱結(jié)構(gòu)，由匹配環(huán)、彎折偶極子、末端加載3個單元組成，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FRIIS公式給出^[6]：

其中，λ為讀寫器發(fā)射信號的波長，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，殼體的存在一定程度上降低了電磁波的信號強(qiáng)度。上述因素都會導(dǎo)致標(biāo)簽天線讀取距離的降低，因此需要對標(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)計方案

    為使標(biāo)簽天線達(dá)到正常工作距離，本文對標(biāo)簽天線的設(shè)計優(yōu)化方案如圖4所示。針對實(shí)際場景中頻點(diǎn)偏移與阻抗失配的問題，研究兩者產(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，針對信號強(qiáng)度降低問題，采用增加末端加載面積的方法，最終將標(biāo)簽天線設(shè)計完成。

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

    對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從多個方面對標(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題。

2.1 頻點(diǎn)偏移及其解決方法的研究

    對于普通直線型結(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)基板相對介電常數(shù)(ε₁=4.4)、設(shè)備殼體相對介電常數(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，在基板的等效介電常數(shù)改變后，可以通過改變偶極子天線長度來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)對天線長度與諧振頻率關(guān)系的影響，通過實(shí)驗(yàn)收集各天線長度及環(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度L為彎折偶極子各彎折部分長度之和。不同環(huán)境及天線長度下的S₁₁曲線如圖5所示。

    圖5中，L為放入智能電表中不同長度的RFID天線的S₁₁曲線，L′為沒有放入智能電表中的長度為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增大為原來的1.18倍。

    同時，比較不同長度下天線的諧振頻點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，通過降低天線長度，可以對偏移的諧振頻點(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中等效為一個匝數(shù)比為(1+a)²:1的變壓器模型^[9]，且a與L₂的長度密切相關(guān)^[10]。此時，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，通過重新調(diào)整天線耦合強(qiáng)度來改善標(biāo)簽天線阻抗，使其重新達(dá)到阻抗匹配。

    為此，分別通過實(shí)驗(yàn)得到了無蝕刻電路、有蝕刻電路及有蝕刻電路且改變L₂長度后的標(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，本文通過改變標(biāo)簽天線的耦合強(qiáng)度來重新調(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位置近似于圖8(a)，說明通過改變L₂的長度可以有效抵消蝕刻電路對標(biāo)簽天線的影響。

2.3 信號強(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，通過一個較大的輻射貼片來聚集更多電荷，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天線針對大容抗的Alien Higgs3芯片更容易達(dá)到共軛匹配。同時，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。通過增益的提高與回波損耗的降低兩個方面補(bǔ)償殼體帶來的信號強(qiáng)度損失。

3 標(biāo)簽天線設(shè)計結(jié)果及性能

    通過第2節(jié)的分析，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化得到天線的最佳設(shè)計尺寸，如表1所示。

    最終設(shè)計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)，其相對帶寬為11%，滿足信息追溯過程中的帶寬要求。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

    針對智能電表信息追溯過程中標(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題，本文經(jīng)過對標(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)生原因并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提出針對性解決方案。同時借鑒已有設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步增大末端加載面積以降低殼體帶來的信號強(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)簽天線在不同國家的工作頻段上均具有良好的回波損耗，同時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象為智能儀表在信息追溯過程中的標(biāo)簽天線設(shè)計優(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.中國計量大學(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)