【原】【學術論文】智能儀表PCB集成化RFID標簽天線設計優(yōu)化

ChinaAET 2020-10-31

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摘要：

針對智能儀表信息追溯過程中，懸掛、貼附式射頻識別(RFID)標簽天線所帶來的易脫落、性能下降等問題，提出一種智能儀表PCB集成化RFID標簽天線。不同于傳統RFID標簽天線的附著方式，將標簽天線直接蝕刻在智能儀表的PCB板上。為改善RFID標簽天線性能，以智能電表作為研究對象，分析頻點偏移與阻抗匹配劣化原因，根據理論指導確定標簽天線優(yōu)化方案并實驗驗證方案可行性；同時借鑒已有設計經驗，進一步增強標簽天線性能。設計優(yōu)化結果表明，處于智能電表內的標簽天線在860 MHz~960 MHz的工作頻段內S11<-15 dB，阻抗匹配性能好；在920 MHz的頻點上端口阻抗為16.87+j207.78 Ω，增益達到2.71 dB，滿足追溯過程中增益及方向性要求。

中文引用格式： 賀則昊，洪濤，陳家焱，等. 智能儀表PCB集成化RFID標簽天線設計優(yōu)化[J].電子技術應用，2020，46(2)：62-66，70.
英文引用格式： He Zehao，Hong Tao，Chen Jiayan，et al. Design and optimization of the tag antenna based on PCB integrated RFID in the smart meter[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(2)：62-66，70.

引言

在智能制造的推進與發(fā)展過程中，射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術被越來越多地應用于智能儀表的信息追溯中。作為RFID技術的關鍵點之一，標簽天線的安裝及其性能對整個智能儀表信息追溯系統起到至關重要的作用。目前，Alien、Impinj、遠望谷等國內外廠商均有各自的RFID標簽天線解決方案，但多數獨立的標簽天線并不能適應儀表的小型化需求，因此在追溯產品信息的過程中多使用懸掛、貼附等方式，使得標簽一般具有安裝難度大、易脫落、安裝后性能下降等缺點。

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。在貼片天線的設計方法研究中，ABBOSH A給出了一種印刷電路板的介電常數精確計算方法用于量化電路板對標簽天線性能的影響^[1]；汪鑫使用等效介電常數簡化微帶天線的設計過程^[2]。在天線設計實踐中，代孝俊、盧善勇、BAEK J J等將各自所設計天線在工作時所放置的殼體納入仿真設計^[3-5]。但目前所設計的天線大多獨立于所追溯設備的PCB板之外，設計者并沒有考慮智能儀表PCB板及布線等環(huán)境因素對標簽天線產生的影響，主要表現在印刷電路板尺寸規(guī)格的變化導致的頻點偏移、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度等方面，最終在實際使用中出現識別距離下降等問題。

本文以智能電表為研究對象，將RFID標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板對天線諧振頻點變化的影響，研究蝕刻電路與標簽天線的耦合關系，并給出天線優(yōu)化方案，最終設計一款滿足實用要求的集成于智能儀表PCB板的RFID標簽天線(以下簡稱“標簽天線”)。

標簽天線設計及優(yōu)化方案

1.1 智能電表及標簽天線結構

本文所提出的標簽天線蝕刻于智能電表PCB板上空余部分，標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，結構示意圖如圖1所示。

智能電表PCB板采用相對介電常數為4.4的FR-4介質基板，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板與蝕刻電路等復雜環(huán)境對標簽天線的影響，同時標簽天線應具備結構簡單、便于調整等特點，本文選用了帶有匹配環(huán)結構的彎折偶極子標簽天線作為本次RFID標簽天線設計的基本模型，PCB板上的標簽天線基本構思如圖2所示。

RFID天線采用對稱結構，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。各單元結構參數的符號已由圖3給出，其中匹配環(huán)與彎折偶極子上未標明的走線寬度均為W₁。

1.2 標簽天線模型與性能分析

識別距離是標簽天線在實際應用中最重要的指標之一。標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，由于本文所設計標簽天線集成于智能電表PCB板上，復雜的電路環(huán)境不僅使得標簽天線諧振頻點偏移到工作頻段之外，還使得阻抗匹配發(fā)生改變，最終導致工作頻段上的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度。上述因素都會導致標簽天線讀取距離的降低，因此需要對標簽天線的結構參數進行優(yōu)化調整。

1.3 標簽天線優(yōu)化設計方案

為使標簽天線達到正常工作距離，本文對標簽天線的設計優(yōu)化方案如圖4所示。針對實際場景中頻點偏移與阻抗失配的問題，研究兩者產生原因與作用機理，明確天線結構參數與兩者的關系。同時，針對信號強度降低問題，采用增加末端加載面積的方法，最終將標簽天線設計完成。

標簽天線結構參數的分析與優(yōu)化

對于集成于智能電表的標簽天線，介質基板、設備殼體、蝕刻電路等影響因素的存在將會從多個方面對標簽性能造成影響，從而導致標簽天線性能大幅度下降。因此，需要明確各項影響因素的作用機理并根據射頻理論消除各影響因素造成的性能下降問題。

2.1 頻點偏移及其解決方法的研究

對于普通直線型結構偶極子天線而言，其諧振頻率f₀與偶極子天線長度L的關系由下式給出^[7]：

其中，c為真空中的光速；ε_e為基板的等效介電常數，在本文中其值是由空氣介電常數(ε₀≈1）、介質基板相對介電常數(ε₁=4.4)、設備殼體相對介電常數(ε₂=2.08)共同作用產生的。由此可以看出：同一天線在不同環(huán)境下發(fā)生頻點偏移的主要原因是由于環(huán)境的變化導致基板的等效介電常數發(fā)生了改變。同時，在基板的等效介電常數改變后，可以通過改變偶極子天線長度來保持諧振頻率的不變。

為進一步明確該智能電表環(huán)境中介電常數對天線長度與諧振頻率關系的影響，通過實驗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構，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天線進入實際環(huán)境，長度為73.5 mm的標簽諧振頻率從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可以發(fā)現，通過降低天線長度，可以對偏移的諧振頻點進行修正，使其進入射頻芯片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)化方法的提出與驗證

對于本文所提出的標簽天線，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處于串聯狀態(tài)，而Z₁與前兩者之間可以在圖3中等效為一個匝數比為(1+a)²:1的變壓器模型^[9]，且a與L₂的長度密切相關^[10]。此時，標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不僅與標簽天線3個單元的阻抗相關，還受到耦合強度a的影響。由于智能電表蝕刻電路與標簽天線都是由銅構成，蝕刻電路的存在必然會導致標簽天線各單元產生耦合電容，從而導致阻抗發(fā)生相應變化。因此，本文中所提到的阻抗失配現象必然與上述變量相關。

為進一步研究蝕刻電路對標簽天線所造成的影響，本文將蝕刻電路等效為一條靠近標簽天線的金屬橫條，橫條加載的RFID天線示意圖如圖7所示。

圖7中，由于天線上部出現金屬橫條，導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，本文考慮從耦合強度入手，通過重新調整天線耦合強度來改善標簽天線阻抗，使其重新達到阻抗匹配。

為此，分別通過實驗得到了無蝕刻電路、有蝕刻電路及有蝕刻電路且改變L₂長度后的標簽天線阻抗隨頻率的變化關系，如圖8所示。

圖8中，R為標簽天線阻抗的電阻部分，X為標簽天線阻抗的電抗部分。對比圖8(a)、圖8(b)可以看出，蝕刻電路的出現導致標簽天線阻抗值的急劇增加，驗證了橫條加載的模型假設，此時發(fā)生阻抗失配的現象成為必然。

為使受蝕刻電路影響的標簽天線阻抗重新達到與射頻芯片阻抗共軛匹配的狀態(tài)，根據式(4)給出的基本原理，本文通過改變標簽天線的耦合強度來重新調節(jié)各單元阻抗發(fā)生變化后的標簽天線阻抗。實驗驗證對比后發(fā)現調節(jié)天線結構參數L2可以有效調節(jié)標簽天線的耦合強度。圖8(c)給出了調節(jié)L₂后的標簽天線阻抗，對比圖8(b)可以看出隨著L₂增大，標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簽天線的影響。

2.3 信號強度降低的解決方法

根據何軍、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一步下降，使得RFID天線針對大容抗的Alien Higgs3芯片更容易達到共軛匹配。同時，末端加載可以有效提高RFID天線雷達截面積，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償殼體帶來的信號強度損失。

標簽天線設計結果及性能

通過第2節(jié)的分析，經過參數優(yōu)化得到天線的最佳設計尺寸，如表1所示。

最終設計完成的嵌入智能電表后的RFID標簽天線參數指標如圖9所示。

從圖9中可以看出，嵌入智能電表后的標簽天線諧振頻點為920 MMz，此時S₁₁為-29.69 dB，諧振頻點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，S₁₁均滿足小于-15 dB的指標，其相對帶寬為11%，滿足信息追溯過程中的帶寬要求。標簽天線最大增益達到2.71 dB，滿足全向性要求。

結論

針對智能電表信息追溯過程中標簽天線出現的安裝難度大、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板上的標簽天線。為解決該環(huán)境下讀取距離降低的問題，本文經過對標簽天線頻點偏移、阻抗失配現象的理論分析，明確現象產生原因并通過實驗驗證提出針對性解決方案。同時借鑒已有設計經驗，進一步增大末端加載面積以降低殼體帶來的信號強度損失。最終將標簽天線諧振頻率控制在920 MHz，天線阻抗調整為16.87+j207.78 Ω，與射頻芯片匹配性能良好，使得標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簽天線設計優(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，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.中國計量大學質量與安全工程學院，浙江杭州310018；2.杭州質慧信息技術有限公司，浙江杭州310018)

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