面向干式水表產品追溯的RFID 標簽天線設計*

王 翠，洪 濤

(中國計量大學 質量與安全工程學院，浙江 杭州 310018)

0 引言

干式水表，是指水表計量機構采用磁性元件傳動，計數器不與被計量水接觸的一種旋翼式水表，具有讀數清晰、抄表方便、計量精確、經久耐用等特點，從而被廣泛采用[1-2]。為了保證干式水表的全生命周期產品追溯，必須將RFID 電子標簽安裝在干式水表內部，但干式水表內部存在鼓輪轉動軸、葉輪磁片等金屬元件。在RFID 超高頻系統中，射頻信號對金屬環境[3-4]十分敏感，當標簽天線接近金屬表面時，因電磁感應的影響，金屬會產生渦流[5-6]，生成自身感應磁場，導致磁力線趨于平緩[7-8]，無法穿過標簽天線，RFID 標簽無響應。這給應用于干式水表的RFID 電子標簽設計帶來了難度。一種用于手術刀的RFID 抗金屬標簽天線[9]總體尺寸為66 mm×5 mm，采用短路短截線結構，應用高介電常數介質基板達到小型化目的，可嵌入金屬或者貼敷于金屬表面，最大讀距為1 m，但該抗金屬標簽天線尺寸較大，且讀距較小，不適用于內部結構復雜的干式水表。一種抗金屬標簽應用短路環偶極子天線結構[10]，其尺寸為76 mm×3 mm，靠近金屬表面，采用FR4 材質，在-10 dB 處帶寬為101 MHz，具有較好的抗金屬效果，但其天線結構因干式水表固定裝置和機芯的干擾無法在水表中實現。

針對以上內容，本文基于對T 型結構、彎折加載、耦合結構的特點分析，通過對常用彎折偶極子天線電小環結構的設計和相關參數的調整，實現天線回波損耗調節，中心頻點的移動，可有效地調整標簽天線適應干式水表的內部結構，滿足產品追溯的識讀要求。

1 天線設計

1.1 標簽的識別距離分析

標簽天線能夠被讀寫器天線識讀的距離是標簽天線在實際應用中的重要指標。其最大距離l 通過弗里斯(Friis)傳輸方程[11-12]計算得出：

式中，l 為讀寫器天線與標簽之間的最大識讀距離，λ 為工作環境的波長，PT為讀寫器天線發射的功率，GT為讀寫器天線的增益，GR為標簽天線增益，S11為標簽天線饋電口的回波損耗，PTh為應用芯片的最低激活功率。

通過式(1)可知，在保證讀寫器和標簽芯片一致的情況下，標簽天線最大識讀距離由標簽天線的回波損耗和增益決定。

1.2 天線結構設計

干式水表的結構如圖1 所示。水表上半部分由保護罩、機芯以及機芯的上下殼組成，材質均為塑料，其下半部分為表體，材質為金屬黃銅。由于水表內部空間狹小且結構復雜，很難采購到適用的RFID 電子標簽將其安裝在表內，以實現產品追溯。因此本文需要設計一款可抗金屬影響的RFID 電子標簽，同時體積盡可能小。

圖1 干式水表結構圖

RFID 標簽由基板、標簽芯片、標簽天線組成[13]。為了加工方便，本次設計基板選用FR4 材質；芯片采用Alien Higgs4 芯片，該芯片阻抗為26-199 jΩ，體積小且具有較少的引腳個數，數據可保存50 年，能滿足本次設計需要；標簽天線設計則要綜合考慮抗金屬、體積、讀寫性能等各因素。文獻[14]提出了一種偶極子天線，可實現較好的抗金屬效果；文獻[15]提出在滿足天線諧振頻率的前提下，通過對偶極子天線進行彎折，可減小天線的尺寸，適應各種不同的空間結構；文獻[16]進一步對彎折偶極子天線的彎折次數、彎折高度和彎折角度進行了研究，可實現在減小體積的同時改善讀寫性能，但其指的是對彎折偶極子輻射臂的彎折，在固定基板結構上完成天線的參數指標較為受限；文獻[11]通過改變饋電方式可實現標簽天線性能的提高，如T 型饋電、Y型饋電、耦合饋電，但這些饋電結構在本文中因干式水表表芯和固定裝置的限制并不適用。故本文在如圖2所示常用彎折偶極子天線的基礎上，應用彎折加載和改變饋電結構的方式對饋電口所在的電小環進行內凹彎折設計，見圖3。總體設計的天線結構圖見圖4，外形尺寸為54 mm×11 mm。電子標簽可嵌入到干式水表中，安裝示意圖見圖5。

圖2 常用彎折偶極子天線

圖3 電小環內凹彎折結構

圖4 標簽天線結構模型圖

圖5 干式水表結構模型圖

2 標簽天線的參數分析與優化

基于標簽天線最大識讀距離分析和標簽天線結構設計，為尋求本文所設計標簽天線電小環的內凹彎折結構參數對回波損耗、中心頻點的影響，在保證其他結構參數不變的情況下，應用Ansofot HFSS16.2 天線對本文所設計標簽天線電小環的部分參數H2、L1、L3進行分析與優化。在天線結構參數H4不變的情況下，彎折結構內凹深度用H4=1.6 mm+a 表示。由于在天線結構參數L5、L2不變的條件下L1和L3相互約束，其具體關系為L1=0.6 mm+b、L3=5.1 mm-b。于 是 對 結 構 參 數H2、L1、L3分析轉化為對變量a、b 進行相關仿真及分析，a 和b的范圍分別為a∈[0，0.2]，b∈[0，0.8]。在基板結構和尺寸限制下，該天線的主要參數范圍如表1 所示。仿真結果如圖6 和圖7 所示。

表1 天線的主要參數取值范圍

為直觀表征標簽天線結構參數影響，對于L1取經驗值1.2 mm。L1保持不變的情況下，對本文所設計的彎折偶極子天線結構參數H2變化即動態變量a 變化的回波損耗見圖6。從圖6中可知，參數H2變化對天線的中心頻率和回波損耗均存在著影響，其中a=0.2 mm，即H2=1.8 mm 時中心頻點達到1.04 GHz，回波損耗值為-33.44 dB。當a=0.12 mm，即H2=1.72 mm的中心頻點為1.03 GHz，回波損耗為-29.22 dB。故結構參數H2對中心頻率影響較小，當H2=1.8 mm 時回波損耗最低。由于標簽天線基板結構的限制，結構參數H2不能無限制加大，H2只能限制在小于等于1.8 mm的范圍內，且仿真時a的變化步長為0.04 mm，故該結構參數對回波損耗影響較大，可有效提高標簽天線的最大識讀距離。

圖6 標簽天線變量參數a 變化的回波損耗

同樣對于H2取經驗值1.8 mm。H2保持不變，對天線結構參數L1、L3即變量參數b 變化的回波損耗進行仿真，其變化步長為0.2 mm。標簽天線變量參數b 變化的回波損耗見圖7。由圖7 可知，當b=0.6 mm，即L1=1.2 mm，L3=4.5 mm，回波損耗為-33.452 dB，中心頻點為1.04 GHz；當b=0.4 mm，即L1=1.0 mm，L3=4.1 mm，其回波損耗為-28.45 dB，中心頻點為1.03 GHz。故結構參數L1、L3對中心頻率影響較小；當結構參數L1=1.2 mm，L3=4.5 mm時，回波損耗最低。由于變量參數b 變化步長0.2 mm 高于變量參數a 變化步長0.02 mm，故結構參數L1、L3對天線的回波損耗影響較低，對有效提高標簽最大識讀距離影響較小。

圖7 標簽天線變量參數b 變化的回波損耗

綜上所述，根據L1、L3、H2對標簽天線回波損耗的影響，對其進行參數調優。調優結果：當H2=1.8 mm 和L1=1.2 mm，L3=4.5 mm 時回波損耗最低，根據式(1)，標簽天線得到最大的識讀距離與回波損耗成負相關，故此時標簽天線得到識讀距離最大。

3 實驗驗證與分析

3.1 標簽天線實際距離測試

基于以上天線仿真試驗，本文設計標簽天線的結構參數H2=1.8 mm 和L1=1.2 mm、L3=4.5 mm，其回波損耗、增益仿真結果如圖8 所示。從仿真結果可以看出天線的中心頻點為1.04 GHz，當回波損耗低于-15 dB，帶寬為930 MHz～1.07 GHz。

圖8 天線回波損耗仿真

將標簽天線嵌入到干式水表中，采用Alien 定向讀寫器天線測試，其工作頻率為922.5 MHz，發射功率為1 W，增益為8.6 dBi，測試場景如圖9 所示。實際最大識讀距離為3.2 m，滿足實際需求。

圖9 標簽天線的距離測試場景

3.2 標簽天線最低激活功率測試

本文所設計天線應用Ansofot HFSS16.2 仿真，中心頻點為1.04 GHz，實際最大識讀距離為3.2 m，但是不能確定其實際中心頻點是否在920 MHz 附近。根據式(1)，當讀距l 確定時，最低激活功率PT與回波損耗成正相關，即最低激活功率P 和回波損耗S11的趨勢一致，因此通過在微波暗室中測試裸標簽和放入干式水表標簽在800 MHz～940 MHz 范圍的最低激活功率驗證實際環境中的中心頻點。其測試場景見圖10 和圖11。

圖10 裸標簽天線測試場景

圖11 放入干式水表的標簽天線測試場景

隨機抽取6 個標簽天線，對裸標簽和放入干式水表的標簽進行測試，測試結果見圖12 和圖13。根據圖12裸標簽在認可度可偏移2 dBm的條件下，中心頻點為870 MHz，帶寬達80 MHz 左右，最低激活功率達6.5 dBm。由圖13 可知，放入干式水表的標簽在認可度可偏移2 dBm的條件下，帶寬在60 MHz 左右，帶寬變小，中心頻點右移，為900 MHz，接近920 MHz，在國家超高頻頻段范圍內，且最低激活功率在6 dBm 左右，故通過HFSS 仿真的中心頻點為1.04 GHz的標簽天線符合在實際應用中需求。

圖12 裸標簽天線測試結果

圖13 放入干式水表的標簽天線測試結果

4 結論

本文針對干式水表復雜的內部結構在PCB RFID 彎折偶極子天線的基礎上設計了一種內凹彎折的電小環結構，尺寸為54 mm×11 mm，讀距離為3.2 m，在完成天線小型化設計的同時滿足了金屬類干式水表產品追溯的現實要求。另一方面，本文所設計的內凹彎折電小環結構為彎折偶極子天線適用不同結構的設計提供了新的思路，未來可將其推廣至更多的應用領域。