【原】【学术论文】智能仪表PCB集成化RFID标签天线设计优化

   摘 要 ： 

针对智能仪表信息追溯过程中，悬挂、贴附式射频识别(RFID)标签天线所带来的易脱落、性能下降等问题，提出一种智能仪表PCB集成化RFID标签天线。不同于传统RFID标签天线的附着方式，将标签天线直接蚀刻在智能仪表的PCB板上。为改善RFID标签天线性能，以智能电表作为研究对象，分析频点偏移与阻抗匹配劣化原因，根据理论指导确定标签天线优化方案并实验验证方案可行性；同时借鉴已有设计经验，进一步增强标签天线性能。设计优化结果表明，处于智能电表内的标签天线在860 MHz~960 MHz的工作频段内S11<-15 dB，阻抗匹配性能好；在920 MHz的频点上端口阻抗为16.87+j207.78 Ω，增益达到2.71 dB，满足追溯过程中增益及方向性要求。

中文引用格式： 贺则昊，洪涛，陈家焱，等. 智能仪表PCB集成化RFID标签天线设计优化[J].电子技术应用，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.

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引言

在智能制造的推进与发展过程中，射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术被越来越多地应用于智能仪表的信息追溯中。作为RFID技术的关键点之一，标签天线的安装及其性能对整个智能仪表信息追溯系统起到至关重要的作用。目前，Alien、Impinj、远望谷等国内外厂商均有各自的RFID标签天线解决方案，但多数独立的标签天线并不能适应仪表的小型化需求，因此在追溯产品信息的过程中多使用悬挂、贴附等方式，使得标签一般具有安装难度大、易脱落、安装后性能下降等缺点。

在此背景下，最好的解决方法就是使用类似贴片天线的方案将标签天线蚀刻在智能仪表的印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)上。在贴片天线的设计方法研究中，ABBOSH A给出了一种印刷电路板的介电常数精确计算方法用于量化电路板对标签天线性能的影响^[1]；汪鑫使用等效介电常数简化微带天线的设计过程^[2]。在天线设计实践中，代孝俊、卢善勇、BAEK J J等将各自所设计天线在工作时所放置的壳体纳入仿真设计^[3-5]。但目前所设计的天线大多独立于所追溯设备的PCB板之外，设计者并没有考虑智能仪表PCB板及布线等环境因素对标签天线产生的影响，主要表现在印刷电路板尺寸规格的变化导致的频点偏移、仪表自身蚀刻电路的存在破坏阻抗匹配、仪表壳体降低信号强度等方面，最终在实际使用中出现识别距离下降等问题。

本文以智能电表为研究对象，将RFID标签天线蚀刻在智能电表的PCB板上，综合考虑智能电表PCB板、蚀刻电路、壳体等因素，分析智能仪表的PCB板对天线谐振频点变化的影响，研究蚀刻电路与标签天线的耦合关系，并给出天线优化方案，最终设计一款满足实用要求的集成于智能仪表PCB板的RFID标签天线(以下简称“标签天线”)。

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标签天线设计及优化方案

1.1 智能电表及标签天线结构

本文所提出的标签天线蚀刻于智能电表PCB板上空余部分，标签天线上方及背面为智能电表蚀刻电路，PCB板置于智能电表壳体内，结构示意图如图1所示。

智能电表PCB板采用相对介电常数为4.4的FR-4介质基板，尺寸为88 mm×52 mm×1 mm。壳体使用材料为聚四氟乙烯，其相对介电常数为2.08，壳体的尺寸为110 mm×150 mm×60 mm。

综合考虑PCB板与蚀刻电路等复杂环境对标签天线的影响，同时标签天线应具备结构简单、便于调整等特点，本文选用了带有匹配环结构的弯折偶极子标签天线作为本次RFID标签天线设计的基本模型，PCB板上的标签天线基本构思如图2所示。

RFID天线采用对称结构，由匹配环、弯折偶极子、末端加载3个单元组成，馈电端口处使用Alien Higgs3射频芯片连接于匹配环上，Alien Higgs3射频芯片阻抗为26+199j Ω。各单元结构参数的符号已由图3给出，其中匹配环与弯折偶极子上未标明的走线宽度均为W₁。

1.2 标签天线模型与性能分析

识别距离是标签天线在实际应用中最重要的指标之一。标签天线的最大读取距离r可以通过FRIIS公式给出^[6]：

    

其中，λ为读写器发射信号的波长，P_t为读写器天线发射功率，G_t为读写器天线增益，P_th为射频芯片的门限激活功率，G_r为标签天线的增益，S₁₁为天线端口的回波损耗。

由式(1)可以看出，在不考虑读写器与射频芯片等外部条件的情况下，标签天线的最大读取距离由其回波损耗与增益所决定。

天线端口的回波损耗由馈电端口的等效阻抗Z_a与射频芯片阻抗Z_c共同决定，如式(2)所示：

不同于一般情况，由于本文所设计标签天线集成于智能电表PCB板上，复杂的电路环境不仅使得标签天线谐振频点偏移到工作频段之外，还使得阻抗匹配发生改变，最终导致工作频段上的S11变差。同时，壳体的存在一定程度上降低了电磁波的信号强度。上述因素都会导致标签天线读取距离的降低，因此需要对标签天线的结构参数进行优化调整。

1.3 标签天线优化设计方案

为使标签天线达到正常工作距离，本文对标签天线的设计优化方案如图4所示。针对实际场景中频点偏移与阻抗失配的问题，研究两者产生原因与作用机理，明确天线结构参数与两者的关系。同时，针对信号强度降低问题，采用增加末端加载面积的方法，最终将标签天线设计完成。

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标签天线结构参数的分析与优化

对于集成于智能电表的标签天线，介质基板、设备壳体、蚀刻电路等影响因素的存在将会从多个方面对标签性能造成影响，从而导致标签天线性能大幅度下降。因此，需要明确各项影响因素的作用机理并根据射频理论消除各影响因素造成的性能下降问题。

2.1 频点偏移及其解决方法的研究

对于普通直线型结构偶极子天线而言，其谐振频率f₀与偶极子天线长度L的关系由下式给出^[7]：

    

其中，c为真空中的光速；ε_e为基板的等效介电常数，在本文中其值是由空气介电常数(ε₀≈1）、介质基板相对介电常数(ε₁=4.4)、设备壳体相对介电常数(ε₂=2.08)共同作用产生的。由此可以看出：同一天线在不同环境下发生频点偏移的主要原因是由于环境的变化导致基板的等效介电常数发生了改变。同时，在基板的等效介电常数改变后，可以通过改变偶极子天线长度来保持谐振频率的不变。

为进一步明确该智能电表环境中介电常数对天线长度与谐振频率关系的影响，通过实验收集各天线长度及环境下的S₁₁值。出于减小天线尺寸的目的^[8]，本文使用弯折偶极子单元替代直线型结构，因此本文所述天线长度L为弯折偶极子各弯折部分长度之和。不同环境及天线长度下的S₁₁曲线如图5所示。

图5中，L为放入智能电表中不同长度的RFID天线的S₁₁曲线，L′为没有放入智能电表中的长度为73.5 mm的RFID天线。从图中可以看出，随着RFID天线进入实际环境，长度为73.5 mm的标签谐振频率从915 MHz向下偏移了74 MHz，由此可以推算出随着RFID天线放入智能电表，ε_e增大为原来的1.18倍。

同时，比较不同长度下天线的谐振频点可以发现，通过降低天线长度，可以对偏移的谐振频点进行修正，使其进入射频芯片860 MHz~960 MHz的工作频段。另一方面，天线的小型化直接受益于长度的缩短。

2.2 阻抗模型及阻抗优化方法的提出与验证

对于本文所提出的标签天线，其等效阻抗由匹配环阻抗、弯折偶极子阻抗、末端加载阻抗3个单元组成，等效电路如图6所示。

在标签天线等效电路图中，Z₁为匹配环阻抗，Z₂为弯折偶极子阻抗，Z₃为末端加载阻抗。从图2可以看出，Z₂与Z₃处于串联状态，而Z₁与前两者之间可以在图3中等效为一个匝数比为(1+a)²:1的变压器模型^[9]，且a与L₂的长度密切相关^[10]。此时，标签天线在馈电端口等效阻抗Z_a可以表示为：

    

由式(4)可以看出，Z_a不仅与标签天线3个单元的阻抗相关，还受到耦合强度a的影响。由于智能电表蚀刻电路与标签天线都是由铜构成，蚀刻电路的存在必然会导致标签天线各单元产生耦合电容，从而导致阻抗发生相应变化。因此，本文中所提到的阻抗失配现象必然与上述变量相关。

为进一步研究蚀刻电路对标签天线所造成的影响，本文将蚀刻电路等效为一条靠近标签天线的金属横条，横条加载的RFID天线示意图如图7所示。

图7中，由于天线上部出现金属横条，导致工作时天线上的电荷在图7中阴影部分聚集，天线各单元耦合电容发生改变^[11]，从而使得式(4)中Z₁、Z₂、Z₃发生变化，最终改变Za的值并导致阻抗失配的发生。

为改善上述情况并得到合理的天线阻抗，本文考虑从耦合强度入手，通过重新调整天线耦合强度来改善标签天线阻抗，使其重新达到阻抗匹配。

为此，分别通过实验得到了无蚀刻电路、有蚀刻电路及有蚀刻电路且改变L₂长度后的标签天线阻抗随频率的变化关系，如图8所示。

图8中，R为标签天线阻抗的电阻部分，X为标签天线阻抗的电抗部分。对比图8(a)、图8(b)可以看出，蚀刻电路的出现导致标签天线阻抗值的急剧增加，验证了横条加载的模型假设，此时发生阻抗失配的现象成为必然。

为使受蚀刻电路影响的标签天线阻抗重新达到与射频芯片阻抗共轭匹配的状态，根据式(4)给出的基本原理，本文通过改变标签天线的耦合强度来重新调节各单元阻抗发生变化后的标签天线阻抗。实验验证对比后发现调节天线结构参数L2可以有效调节标签天线的耦合强度。图8(c)给出了调节L₂后的标签天线阻抗，对比图8(b)可以看出随着L₂增大，标签天线的阻抗明显降低，且阻抗电阻与电抗曲线相对位置近似于图8(a)，说明通过改变L₂的长度可以有效抵消蚀刻电路对标签天线的影响。

2.3 信号强度降低的解决方法

根据何军、FAUDZI N M等人的研究成果^[12-13]，本文在弯折偶极子单元后设置末端加载，通过一个较大的辐射贴片来聚集更多电荷，从而增加RFID天线的等效电容。更大的电容使得天线的容抗进一步下降，使得RFID天线针对大容抗的Alien Higgs3芯片更容易达到共轭匹配。同时，末端加载可以有效提高RFID天线雷达截面积，增加RFID天线增益。通过增益的提高与回波损耗的降低两个方面补偿壳体带来的信号强度损失。

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标签天线设计结果及性能

通过第2节的分析，经过参数优化得到天线的最佳设计尺寸，如表1所示。

最终设计完成的嵌入智能电表后的RFID标签天线参数指标如图9所示。

从图9中可以看出，嵌入智能电表后的标签天线谐振频点为920 MMz，此时S₁₁为-29.69 dB，谐振频点上的天线输入阻抗为16.87+j207.78 Ω，表明其与射频芯片的匹配程度极好，能量传输效率在95%以上。在860 MHz~960 MHz的频段内，S₁₁均满足小于-15 dB的指标，其相对带宽为11%，满足信息追溯过程中的带宽要求。标签天线最大增益达到2.71 dB，满足全向性要求。

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结论

针对智能电表信息追溯过程中标签天线出现的安装难度大、易脱落、安装后性能下降等问题，本文提出一种直接蚀刻在智能电表PCB板上的标签天线。为解决该环境下读取距离降低的问题，本文经过对标签天线频点偏移、阻抗失配现象的理论分析，明确现象产生原因并通过实验验证提出针对性解决方案。同时借鉴已有设计经验，进一步增大末端加载面积以降低壳体带来的信号强度损失。最终将标签天线谐振频率控制在920 MHz，天线阻抗调整为16.87+j207.78 Ω，与射频芯片匹配性能良好，使得标签天线在不同国家的工作频段上均具有良好的回波损耗，同时天线方向性基本满足全向性要求。

本文使用智能电表作为研究对象为智能仪表在信息追溯过程中的标签天线设计优化提供了参考的思路与方法，但也存在一定程度的局限性，如本文并未将电子元器件考虑在内，特别是电路中可能存在的对RFID性能影响较大的感性元件。

参考文献

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作者信息:

贺则昊1，洪  涛1，陈家焱1，蒋天齐2

(1.中国计量大学 质量与安全工程学院，浙江 杭州310018；2.杭州质慧信息技术有限公司，浙江 杭州310018)

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