一種智能RFID電子車牌的天線設(shè)計方案

盧海朋，蘇愛民，王峻峰，陳 明

(上海一芯智能科技有限公司，上海 201206)

0 引言

隨著機動車輛快速增長，汽車保有的量逐年攀升，與此同時涉車案件日益增多，國家對于交通智能化管理的需求也越發(fā)迫切。目前，公安機關(guān)對車輛管理主要依靠交通監(jiān)控設(shè)備以及視頻圖像技術(shù)識別，如監(jiān)控攝像頭。然而，這種方式的識別精度易受環(huán)境、照明和天氣等因素影響，不能有效辨別假牌套牌，也無法遏制像污損號牌和故意遮擋號牌等違法犯罪行為。因此，公安聯(lián)合公安部交通管理科學(xué)研究所等公司已經(jīng)在無錫展開“汽車電子標(biāo)識應(yīng)用示范工程”，在車輛內(nèi)部署自主研發(fā)的電子標(biāo)識。

雖然國家已強制要求2018年新出廠機動車需預(yù)留RFID標(biāo)簽微波窗口，但根據(jù)抽查多種車輛的測試結(jié)果顯示，多數(shù)汽車由于玻璃內(nèi)存在加熱絲[1]、金屬顆粒，在測試的時候，標(biāo)簽會被屏蔽，無法傳出信號[2]。所以按照目前市面的這種標(biāo)簽來做車輛管理，就會出現(xiàn)有的汽車可以粘貼標(biāo)簽，有的車則不能，不能粘貼且沒有預(yù)留微波窗口的汽車就屬于空白，無法進(jìn)行有效監(jiān)管[3]。

本文的設(shè)計方案可以在不改動現(xiàn)有車牌的情況下維持原狀，只需在車牌側(cè)邊安裝一枚小小的耦合芯片，即可將其部署成智能電子車牌[4-5]。整個過程方便快捷，如若在已經(jīng)安好車牌的車輛上安裝，也只需一把螺絲刀即可輕松解決[6]。

1 RFID設(shè)計方案選擇

在RFID系統(tǒng)中，不管是發(fā)射還是接收，都離不開天線。而天線本身屬于一種電磁輻射器件，對金屬最是敏感，如果天線附近有別的金屬，其性能會大打折扣[7]。因此如果將RFID標(biāo)簽直接粘貼在含有金屬絲的擋風(fēng)玻璃上，受金屬絲的影響，RFID天線無法發(fā)揮所設(shè)計的性能[8]。

RFID的一個最重要指標(biāo)是識別距離，無源RFID標(biāo)簽是一個半雙工的工作系統(tǒng)[9]，利用電磁波的反射原理，RFID天線在接收到電磁波后，將能量傳給內(nèi)部存儲器(稱之為芯片)，當(dāng)芯片達(dá)到激活閾值后，標(biāo)簽便開始工作，標(biāo)簽將內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)再通過標(biāo)簽的天線，將信號傳給閱讀器天線[10]。這才是RFID一個完整的傳輸鏈。

標(biāo)簽的識別距離與標(biāo)簽天線的方向性、標(biāo)簽附著材料的介電、極化方式和傳播環(huán)境等有關(guān)。其讀距d可以通過弗里斯(Friis)自由空間公式來計算：

其中，λ為波長，Pt為閱讀器的發(fā)射功率，Gt為發(fā)射天線的增益，Gr為標(biāo)簽天線的增益，Pth為標(biāo)簽芯片的開啟功率，η為有效功率系數(shù)。

假設(shè)標(biāo)簽貼在玻璃上，查閱相關(guān)資料得知，玻璃在制作的時候，根據(jù)需求不同，工藝也不同，其制作的材料也不太一樣。因此玻璃的介電常數(shù)有很大的浮動空間，其介電常數(shù)波動范圍為2～12。通過粗略計算式計算：

其中，λP為等效波長，C為光速，f為工作頻率，εr為當(dāng)前介電常數(shù)。

因此，其工作時的波長應(yīng)為 0.28 λ～0.7 λ，相對帶寬計算公式為：

變換代入計算，可知其相對帶寬約需要達(dá)到2.5的倍頻程，因為在汽車玻璃上粘貼，需要越輕薄越好，只能使用陶瓷基片或Inlay來實現(xiàn)，而這種近乎二維平面的天線設(shè)計要想達(dá)到2.5倍頻程的帶寬，近乎不可能。

因此，本文將目標(biāo)轉(zhuǎn)換至車牌，考慮利用車牌突出的天然優(yōu)勢，將其作為輻射體。每輛汽車的車牌尺寸基本相近，且安裝方式相同，無遮擋，無介電差異很大的介質(zhì)存在，然后將車牌后的金屬引擎蓋以及防撞梁作為鏡面反射板，充分利用其結(jié)構(gòu)，發(fā)揮天線的輻射特性，那么就不需要在玻璃上粘貼標(biāo)簽了[11]。

下面針對車牌進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1.1 RFID智能車牌標(biāo)簽設(shè)計計算

通常，功率有效系數(shù)的表達(dá)方式可以表示為：

其中，Zin=Rin+jXin為芯片阻抗，Zl=Rl+jXl為天線阻抗。

為了傳輸最大功率，標(biāo)簽天線的輸入阻抗與芯片的阻抗必須共軛[12]，只有這樣標(biāo)簽才能發(fā)揮其最大的讀距效果。標(biāo)簽設(shè)計諧振頻率為920 MHz，本文選擇Alien H3芯片為例，計算芯片的輸入阻抗。

查閱芯片手冊，得知芯片的電參數(shù)特性為0.85 pF并聯(lián)1 500 Ω，由下式計算阻抗。

其中，Zin為芯片的阻抗值，經(jīng)計算得芯片阻抗為27.1-j200 Ω。

設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。該天線為一個3層微帶結(jié)構(gòu)，基材為 RF4。長 80 mm，寬 40 mm，在寬 20 mm處有一階梯，基材總厚度 h=2 mm，階梯部分 h1=1 mm，微帶底板覆銅。天線一端伸到車牌下方，通過耦合的方式，將車牌作為RFID天線的一部分，另一部分通過通孔延伸至FR4表面。

圖1 標(biāo)簽結(jié)構(gòu)示意圖

頂端振子長度為L，寬度為W，通過調(diào)整L和W的尺寸，可以改變天線的阻抗以及天線的諧振頻率。

1.2 建模與仿真

(1)優(yōu)化長度 L

通過微帶計算公式：

其中，f為天線的工作頻點，εeff為介質(zhì)的有效介電常數(shù)。可以估算天線的長度應(yīng)為78 mm左右。

仿真軟件中按以上參數(shù)建模，并帶入?yún)?shù)L，觀察L的變化與天線諧振的關(guān)系，如圖2所示。可以看出，當(dāng)L=70 mm時，計算出天線諧振頻率約為930 MHz，符合RFID工作頻率要求。

(2)優(yōu)化 W

通過改變W的寬度微調(diào)標(biāo)簽天線的諧振頻率，可以得出當(dāng)W=6 mm時，天線的工作頻點為925 MHz。

圖2、圖3為標(biāo)簽的頻率隨W、L變化時的曲線圖。從圖中可以看出，當(dāng)L=70 mm、W=6 mm時，天線的各項參數(shù)滿足設(shè)計所需求的各項指標(biāo)，振點S11達(dá)到35 dB，此時天線的10 dB帶寬為80 MHz，增益可達(dá)9.18 dB。圖4為天線的輻射方向圖。

根據(jù)仿真后的輻射方向圖，其最大輻射方向是向汽車兩側(cè)輻射，不是正對前方，降低了標(biāo)簽多路徑反射的風(fēng)險[13]，也就是RFID串讀的風(fēng)險大大降低了。如果在汽車側(cè)面安裝讀寫器天線，當(dāng)汽車通過閘機口時，讀寫器的識別效果就非常良好，如圖5、圖6所示。

圖2 不同L值與標(biāo)簽諧振點曲線圖

圖3 不同W值與標(biāo)簽諧振點曲線圖

圖4 標(biāo)簽輻射方向圖

2 實際測試

按照本文設(shè)計加工成實物后測試，粘貼于400 mm×140 mm金屬板上，使用1 W發(fā)射功率、6 dB固定式讀寫器天線，測得標(biāo)簽讀距最遠(yuǎn)可達(dá)15 m，這比以往粘貼在玻璃上(9654標(biāo)簽)6～8 m的讀距效果好很多。表1為天線的各項尺寸參數(shù)。

本方案因特殊的結(jié)構(gòu)，可以通過一些簡單的物理手段(如增加V槽等)將這種RFID設(shè)計做成一拆即毀的防拆型標(biāo)簽，從而做到一車一牌，不可復(fù)制和轉(zhuǎn)移。這種方式可以有效遏制和打擊套牌、遮擋牌號等非法犯罪活動。

圖5 標(biāo)簽在汽車上輻射方向圖-俯視

圖6 標(biāo)簽在汽車上輻射方向圖-前視

3 結(jié)論

本文設(shè)計方案避開了介電常數(shù)變化較大且部分情況下含有金屬絲的汽車擋風(fēng)玻璃，在應(yīng)用中完全不受車輛種類的限制，安裝方便，可直接將標(biāo)簽塞于汽車車牌之下，拆卸即毀，有很好的使用前景。

表1 標(biāo)簽尺寸示例尺寸 (mm)

這種設(shè)計方案相較前設(shè)計方案而言，帶寬相對較小，只有80 MHz，但其被貼物場景單一，對于窄帶的RFID頻段而言，這個帶寬足夠使用了。