趙文婧 厲丹 黃為勇 吳雙江

摘 要： 為了對車輛進(jìn)行射頻識別（RFID），設(shè)計(jì)一種用于有源電子車牌的彎折樹脂縫隙天線，并根據(jù)車牌安裝的實(shí)際情況設(shè)計(jì)了饋電結(jié)構(gòu)。該天線能夠?qū)⒂性碦FID模塊與金屬車牌有效一體化，而且樹脂縫隙不易變形，能夠加強(qiáng)天線的機(jī)械強(qiáng)度。利用HFSS軟件對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化，并分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對天線工作頻帶特性的影響，得到設(shè)計(jì)該天線的一般規(guī)律。仿真結(jié)果表明，該樹脂縫隙天線工作頻段滿足RFID的2.45 GHz頻段范圍，具有較高的增益、較遠(yuǎn)的閱讀距離和車輛識別所需的多波束輻射方向圖。

關(guān)鍵詞： 射頻識別； 電子車牌； 樹脂縫隙天線； 閱讀距離； 方向圖

中圖分類號： TN82?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）05?0073?05

0 引 言

近年來，隨著RFID技術(shù)在車輛自動識別中的廣泛應(yīng)用，我國的智能交通系統(tǒng)（ITS）獲得了長足的發(fā)展，其中比較典型的應(yīng)用包括停車場管理、高速公路電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)（ETC）、車輛測速等。其主要通過安裝于車輛上的電子標(biāo)簽和安裝在道路兩旁或收費(fèi)站車道上的閱讀器之間進(jìn)行無線通信和信息交換。天線是其中的關(guān)鍵部分，它在標(biāo)簽與閱讀器之間傳遞射頻信號，它的選擇和設(shè)計(jì)是否合理，對整個識別系統(tǒng)的性能有很大影響，尤其是當(dāng)系統(tǒng)工作頻率上升到UHF和微波頻段。

電子標(biāo)簽常被人們稱為“電子車牌”，它通常被安裝在車輛前面的擋風(fēng)玻璃上，但很多車輛的擋風(fēng)玻璃上的防爆膜含有金屬成分，可能會影響標(biāo)簽天線的性能，導(dǎo)致標(biāo)簽無法正常工作。此外，大多數(shù)安裝在擋風(fēng)玻璃上的標(biāo)簽工作在UHF頻段（840～960 MHz），屬于被動式無源標(biāo)簽，天線設(shè)計(jì)需要做到與芯片阻抗共軛匹配，實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜，并且最遠(yuǎn)讀取距離僅有十幾米[1]，當(dāng)車輛運(yùn)行在高速狀態(tài)，識別時可能會存在漏讀現(xiàn)象。真正意義上的電子車牌通常是嵌入了主動式有源電子標(biāo)簽的車號牌；從表面上看，嵌入了RFID標(biāo)簽的電子車牌與傳統(tǒng)的車號牌基本沒有什么區(qū)別，但它不僅能夠提供與傳統(tǒng)車號牌相同的視覺信息，還能夠提供相關(guān)的電子信息。之所以采用主動式的電子標(biāo)簽，是由于主動式的電子標(biāo)簽自身帶有電池，與被動式無源電子標(biāo)簽相比，它擁有更遠(yuǎn)的閱讀距離和較大的信息存儲量，通常工作[2]在2.45 GHz和5.8 GHz。在國外專利文獻(xiàn)[3?4]中，提出了不同結(jié)構(gòu)的電子車牌和不同種類的電子車牌天線，例如，微帶貼片天線[4]、微帶偶極子天線[3?4]、環(huán)狀天線[3]等，雖然這些天線都被設(shè)計(jì)嵌入于非金屬材料制作的車號牌中，但也存在著潛在的問題，因?yàn)榈湫蛙囂柵频姆垂饽ぐ粚诱羝繉?，它會影響天線的輻射方向圖。即便不使用反光膜，絕大多數(shù)的車牌也是金屬材料制成的，位于金屬車牌后方的上述類型的天線將不能正常工作。然而，縫隙天線具有低輪廓、成本低、容易制作而且易于與電路集成等特點(diǎn)，特別適用于電子車牌。雖然有很多應(yīng)用在不同頻段的RFID縫隙天線的相關(guān)研究文獻(xiàn)被報道[5?10]，但對于電子車牌而言，縫隙的設(shè)計(jì)必須在不破壞車牌表面的漢字、字母以及數(shù)字的前提下進(jìn)行，而且僅采用空氣縫隙天線可能會因?yàn)闄C(jī)械強(qiáng)度不夠?qū)е伦冃芜M(jìn)而破壞天線的性能。

針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一款工作在2.45 GHz（2.4～2.483 GHz）的彎折環(huán)氧樹脂縫隙天線。該天線不僅能夠?qū)⒂性碦FID標(biāo)簽?zāi)K與金屬車牌有效集為一體，而且固化后的環(huán)氧樹脂具有良好的物理化學(xué)性能，它對金屬材料具有優(yōu)異的粘接強(qiáng)度、介電性能良好（相對介電常數(shù)通常為3.8～4.2）、變定收縮率小、制品尺寸穩(wěn)定性好、硬度高且柔韌性較好，在樹脂縫隙上刷漆后。從表面上看與普通車牌沒有任何區(qū)別，這樣做不僅加強(qiáng)了天線的機(jī)械強(qiáng)度，而且還達(dá)到了美觀的效果。

1 電子車牌及天線結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)

圖1為所設(shè)計(jì)的樹脂縫隙天線電子車牌結(jié)構(gòu)模型示意圖。其中，金屬車牌通常為鋁制車牌，不同國家車牌的尺寸有可能不同，本文以我國九二式標(biāo)準(zhǔn)鋁制機(jī)動車車牌為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。通常是用兩個螺釘通過車牌上方的橢圓形懸掛孔將車牌固定于車身前端的，由于車輛本身是金屬物體，當(dāng)電子車牌安裝于車輛上時，勢必會對天線的性能產(chǎn)生影響。因此，在建模中采用一個大小為1 320 mm×420 mm的金屬接地板，平行放置于電子車牌的后方模擬車身。此外，還應(yīng)考慮到有源標(biāo)簽電池的厚度，故設(shè)電子車牌到接地板的距離為5 mm。

電子車牌具體的幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示，我國鋁制車牌的大小為[L×W=440 ]mm×140 mm，車牌上通常有1個漢字、1個間隔點(diǎn)、6個英文字母或數(shù)字以及4個在坐標(biāo)系中分別位于（y，z）=（-123.5，±57.5） mm和（y，z）= （101.5， ±57.5） mm的用于固定車牌的橢圓形懸掛孔。

為了不破壞電子車牌表面的漢字、字母和數(shù)字，天線可采用彎折的縫隙結(jié)構(gòu)，且在縫隙中填充環(huán)氧樹脂，如圖2所示。該天線相對于[z]軸對稱，兩邊各有3個彎折點(diǎn)。兩個饋電點(diǎn)位于底部縫隙的中間（標(biāo)記于圖2的縫隙[L1]上）。該天線具體的幾何結(jié)構(gòu)和參數(shù)定義見圖2。

圖1 樹脂縫隙天線電子車牌

圖2 電子車牌上的樹脂縫隙天線結(jié)構(gòu)和參數(shù)

有源RFID電路模塊附著于電子車牌的反面，如圖3（a）所示。圖3（b）為該縫隙天線的具體饋電結(jié)構(gòu)示意圖，標(biāo)簽電路模塊的接地端與電子車牌上的底部縫隙的上邊沿饋電點(diǎn)相連。標(biāo)簽電路的天線輸入端口處為波導(dǎo)共面（CPW）結(jié)構(gòu)，為了使標(biāo)簽電路能夠很好地與該縫隙天線集成，可從天線輸入端口起在電路基板上加一段帶線，將其延伸并越過縫隙與電子車牌上的底部縫隙的下邊沿饋電點(diǎn)相連，帶線的寬度為1.5 mm，長度[x1]主要是根據(jù)天線優(yōu)化過程以及天線與輸入端口阻抗匹配程度確定的。標(biāo)簽電路的輸出阻抗為50 Ω，為了使該樹脂縫隙天線與標(biāo)簽電路良好匹配，所設(shè)計(jì)的天線的輸入阻抗也應(yīng)為50 Ω。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線頻帶特性的影響

2.1.1 H1對天線頻帶特性的影響

采用電磁仿真軟件HFSS初始建模時，設(shè)圖2中縫隙寬度[w1=]1 mm，底部水平縫隙長度[L1=]58 mm，兩側(cè)豎直縫隙長度[L2=]90 mm[+2H1，][L3=L4=0] mm，縫隙中填充的環(huán)氧樹脂相對介電常數(shù)[εr=3.8，]圖3所示的饋電結(jié)構(gòu)中所加銅帶線長度[x1=]2 mm，即初始模型為U型結(jié)構(gòu)。改變[H1，]即豎直縫隙[L2]的長度，使其從9 mm變化到13 mm，即[L2]從108 mm變化到116 mm，仿真得到的天線回波損耗[S11]曲線如圖4所示。從圖中可以看出，隨著[H1]的增加，即豎直縫隙總長度[L2]的增加，天線的諧振頻率逐漸向低頻移動，諧振程度有所增加，阻抗帶寬逐漸變寬。考慮到實(shí)際制作的問題，不希望縫隙距車牌上、下邊緣或數(shù)字太近，故選取中間位置[H1=]11 mm，即[L2=]112 mm。

2.1.2 [L3]對天線頻帶特性的影響

由于車牌上可開縫的空間有限，為了能夠保持天線結(jié)構(gòu)對稱，考慮在初始模型參數(shù)的基礎(chǔ)上，在頂部對稱增加水平縫隙[L3，]且[L3=L1=58]mm，結(jié)構(gòu)如圖2中所示。對比有無[L3]對回波損耗[S11]曲線的影響，其仿真曲線如圖5所示。從圖中可以看出，增加頂部水平縫隙[L3]后，諧振頻率向高頻移動，帶寬有所增加，雖然諧振頻率在2.45 GHz頻段范圍內(nèi)，但阻抗帶寬（S11≤-10 dB）仍不滿足要求。

2.1.3 [L4]對天線頻帶特性的影響

根據(jù)第2.1.1節(jié)中分析的結(jié)論，可在第2.1.2節(jié)中模型參數(shù)的基礎(chǔ)上，在頂部水平縫隙[L3]兩側(cè)對稱增加豎直縫隙[L4，]以調(diào)諧諧振頻率，并增加諧振程度和帶寬，結(jié)構(gòu)如圖2所示。改變[L4，]使其從40 mm變化到60 mm，仿真得到的天線回波損耗[S11]曲線如圖6所示。從圖中可以看出，[L4]的增加對回波損耗曲線的影響與第2.1.1節(jié)中分析的結(jié)論類似，只是諧振頻率向低頻移動的程度不如第2.1.1節(jié)中程度大，原因在于豎直縫隙[L4]的長度要比[L2]的長度短的多。為了不讓諧振頻率向低頻位移過度，不再增加豎直縫隙[L4]的長度。圖6中[L4=60]mm時，帶寬已滿足2.45 GHz頻帶要求。

2.1.4 [w1]對天線頻帶特性的影響

保持參數(shù)[εr=3.8，][L1=L3=58]mm，[H1=11]mm（[L2=]112 mm），[L4=60 ]mm，[x1=2]mm不變，改變縫隙寬度[w1，]使其從1 mm變化到2 mm，仿真得到的天線回波損耗[S11]曲線如圖7所示。從圖中可以看出，隨著縫隙寬度的小幅增加，諧振頻率向高頻大幅度移動，并且?guī)捰兴鶞p小。因此，在實(shí)際制作天線時，對縫隙寬度的精度要求很高。

2.1.5 [x1]對天線頻帶特性的影響

保持參數(shù)[εr=3.8，][L1=L3=58]mm，[H1=11]mm（[L2=]112 mm），[L4=60]mm，[w1=1]mm不變，改變饋電結(jié)構(gòu)中所加銅帶線長度[x1，]使其從1 mm變化到3 mm，仿真得到的天線回波損耗[S11]曲線如圖8所示。從圖中可以看出，隨著[x1]的增加，帶寬有所減小，但諧振程度有所增加，諧振頻率點(diǎn)的位置基本保持不變。

綜上所述，可得設(shè)計(jì)該樹脂縫隙天線的方法規(guī)律：增加水平縫隙長度可以使天線的諧振頻率向高頻移動，而增加豎直縫隙長度則可使天線的諧振頻率向低頻移動，并可增加諧振程度和阻抗帶寬；天線的諧振頻率對縫隙寬度的微小變化非常敏感，這就要求實(shí)際制作時縫隙寬度應(yīng)具有較高的精度；饋電結(jié)構(gòu)中銅帶線長度對諧振頻率基本沒有影響，但會對阻抗帶寬有一定影響。此外，在仿真過程中發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂的相對介電常數(shù)εr在3.8～4.2范圍內(nèi)對天線回波損耗以及方向圖均沒有太大影響。

2.2 優(yōu)化后的天線仿真結(jié)果與分析

通過數(shù)次數(shù)值仿真和優(yōu)化，圖2和圖3中所定義的電子車牌樹脂縫隙天線的幾何參數(shù)值分別為：εr=3.8，[w1=1]mm，[L1=58]mm，[H1=11]mm（[L2=112]mm），[L3=][58]mm，[L4=60 ]mm，[x1=]2 mm。

圖9為仿真優(yōu)化后得到最終天線的回波損耗結(jié)果。從圖中可以看出，該天線諧振在2.45 GHz，其工作頻段范圍為2.4～2.5 GHz，帶寬為100 MHz，諧振峰值[S11]為-28.96 dB，所設(shè)計(jì)的彎折樹脂縫隙天線能夠覆蓋RFID 2.45 GHz頻段范圍，滿足實(shí)際應(yīng)用中的需要。

圖10為仿真得到的諧振頻率2.45 GHz處的三維方向圖，從圖中可以看到，[xy]平面以上的空間內(nèi)主要有三個波瓣，中間的波瓣（[φ=]0°，即[xz]平面）向[x]軸上方傾斜28°（[θ=62°]），兩側(cè)的波瓣（[φ=38°]和[φ=322°]）均向上方傾斜22°（[θ=68°]），雖然中間的那個波瓣有稍許的分裂，但并不影響RFID閱讀器的識別，其歸一化二維方向圖如圖11所示。同時，通過仿真可得到該天線的最大增益為9.625 dB，說明該天線是一個高增益天線。上述方向圖在ITS領(lǐng)域中能夠滿足RFID閱讀器部署的需要。例如，可將閱讀器安裝在車道兩側(cè)的燈柱上，則左、右兩側(cè)上傾的波瓣可使閱讀器與電子車牌相互通信；也可將閱讀器架設(shè)在收費(fèi)站車道上方，則中間上傾的波瓣可使閱讀器與電子車牌相互通信。

2.3 閱讀距離的估算

由于本文所設(shè)計(jì)的電子車牌中采用的有源RFID模塊ML?T80與文獻(xiàn)[11]中設(shè)計(jì)時所用相同。因此，根據(jù)仿真所得的最大增益和文獻(xiàn)[11]中所測量的閱讀距離，本文設(shè)計(jì)的電子車牌的讀取距離是容易估算的。

由RFID系統(tǒng)的功率傳輸方程[12]：

[Pr=λ（4πR）2PiGtGr] （1）

式中：[Pr]為接收天線的接收功率；[Pi]為發(fā)射天線的發(fā)射功率；[Gr]為接收天線的增益；[Gt]為發(fā)射天線的增益；[R]為收發(fā)天線間的距離；[λ]為工作波長。

對于文獻(xiàn)[11]中的電子車牌，閱讀器天線的接收功率[Pr1]為：

[Pr1=λ（4πRmax，1）2PiGt1Gr] （2）

式中：[Rmax，1]為實(shí)際測量的最大閱讀距離，其值為92 m；[Gt1]為仿真得到的最大增益，其值為10.683 dB。

對于本文所設(shè)計(jì)的電子車牌，閱讀器天線的接收功率[Pr2]為：

[Pr2=λ（4πRmax，2）2PiGt2Gr] （3）

式中：[Rmax，2]為估算的最大閱讀距離；[Gt2]為仿真得到的最大增益，其值為9.625 dB。

因?yàn)閮呻娮榆嚺撇捎孟嗤挠性碦FID模塊，假設(shè)使用相同的閱讀器ML?M800，則由式（2）和式（3）可得：

[λ（4πRmax，1）2PiGt1Gr=λ（4πRmax，2）2PiGt2Gr] （4）

即：[Gt2Gt1=Rmax，2Rmax，12] （5）

式（5）兩邊取dB得：

[Gt2（dB）-Gt1（dB）=10lgRmax，2Rmax，12] （6）

將數(shù)據(jù)代入由式（6）得：[Rmax，2=82 ]m。由此可見，本文所設(shè)計(jì)的樹脂縫隙天線使得電子車牌的最大理論閱讀距離較遠(yuǎn)，能夠滿足ITS對閱讀距離的需求。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的彎折樹脂縫隙天線，不但將RFID模塊與電子車牌有效集為一體，而且彌補(bǔ)了空氣縫隙天線可能會因?yàn)闄C(jī)械強(qiáng)度不夠?qū)е伦冃螐亩绊懱炀€性能的局限性。通過仿真研究了設(shè)計(jì)該樹脂縫隙天線的一般規(guī)律，優(yōu)化后的天線能夠工作在RFID 2.45 GHz頻段，其方向圖和最大理論閱讀距離能夠滿足遠(yuǎn)距離車輛自動識別時通信的需要。

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