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，公安機關對車輛管理主要依靠交通監(jiān)控設備以及視頻圖像技術識別，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，公安聯合公安部交通管理科學研究所等公司已經在無錫展開“汽車電子標識應用示范工程”，在車輛內部署自主研發(fā)的電子標識。

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

本文的設計方案可以在不改動現有車牌的情況下維持原狀，只需在車牌側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設計方案選擇

在RFID系統中，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標簽直接粘貼在含有金屬絲的擋風玻璃上，受金屬絲的影響，RFID天線無法發(fā)揮所設計的性能[8]。

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

標簽的識別距離與標簽天線的方向性、標簽附著材料的介電、極化方式和傳播環(huán)境等有關。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為標簽天線的增益，Pth為標簽芯片的開啟功率，η為有效功率系數。

假設標簽貼在玻璃上，查閱相關資料得知，玻璃在制作的時候，根據需求不同，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有很大的浮動空間，其介電常數波動范圍為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為當前介電常數。

因此，其工作時的波長應為 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，而這種近乎二維平面的天線設計要想達到2.5倍頻程的帶寬，近乎不可能。

因此，本文將目標轉換至車牌，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，充分利用其結構，發(fā)揮天線的輻射特性，那么就不需要在玻璃上粘貼標簽了[11]。

下面針對車牌進行優(yōu)化設計。

1.1 RFID智能車牌標簽設計計算

通常，功率有效系數的表達方式可以表示為：

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，標簽天線的輸入阻抗與芯片的阻抗必須共軛[12]，只有這樣標簽才能發(fā)揮其最大的讀距效果。標簽設計諧振頻率為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，得知芯片的電參數特性為0.85 pF并聯1 500 Ω，由下式計算阻抗。

其中，Zin為芯片的阻抗值，經計算得芯片阻抗為27.1-j200 Ω。

設計結構如圖1所示。該天線為一個3層微帶結構，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 標簽結構示意圖

頂端振子長度為L，寬度為W，通過調整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為介質的有效介電常數?？梢怨浪闾炀€的長度應為78 mm左右。

仿真軟件中按以上參數建模，并帶入參數L，觀察L的變化與天線諧振的關系，如圖2所示?？梢钥闯?，當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的寬度微調標簽天線的諧振頻率，可以得出當W=6 mm時，天線的工作頻點為925 MHz。

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

根據仿真后的輻射方向圖，其最大輻射方向是向汽車兩側輻射，不是正對前方，降低了標簽多路徑反射的風險[13]，也就是RFID串讀的風險大大降低了。如果在汽車側面安裝讀寫器天線，當汽車通過閘機口時，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值與標簽諧振點曲線圖

圖3 不同W值與標簽諧振點曲線圖

圖4 標簽輻射方向圖

2 實際測試

按照本文設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，測得標簽讀距最遠可達15 m，這比以往粘貼在玻璃上(9654標簽)6～8 m的讀距效果好很多。表1為天線的各項尺寸參數。

本方案因特殊的結構，可以通過一些簡單的物理手段(如增加V槽等)將這種RFID設計做成一拆即毀的防拆型標簽，從而做到一車一牌，不可復制和轉移。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 標簽在汽車上輻射方向圖-俯視

圖6 標簽在汽車上輻射方向圖-前視

3 結論

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

表1 標簽尺寸示例尺寸 (mm)

這種設計方案相較前設計方案而言，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。