一种智能RFID电子车牌的天线设计方案

卢海朋，苏爱民，王峻峰，陈 明

(上海一芯智能科技有限公司，上海 201206)

0 引言

随着机动车辆快速增长，汽车保有的量逐年攀升，与此同时涉车案件日益增多，国家对于交通智能化管理的需求也越发迫切。目前，公安机关对车辆管理主要依靠交通监控设备以及视频图像技术识别，如监控摄像头。然而，这种方式的识别精度易受环境、照明和天气等因素影响，不能有效辨别假牌套牌，也无法遏制像污损号牌和故意遮挡号牌等违法犯罪行为。因此，公安联合公安部交通管理科学研究所等公司已经在无锡展开“汽车电子标识应用示范工程”，在车辆内部署自主研发的电子标识。

虽然国家已强制要求2018年新出厂机动车需预留RFID标签微波窗口，但根据抽查多种车辆的测试结果显示，多数汽车由于玻璃内存在加热丝[1]、金属颗粒，在测试的时候，标签会被屏蔽，无法传出信号[2]。所以按照目前市面的这种标签来做车辆管理，就会出现有的汽车可以粘贴标签，有的车则不能，不能粘贴且没有预留微波窗口的汽车就属于空白，无法进行有效监管[3]。

本文的设计方案可以在不改动现有车牌的情况下维持原状，只需在车牌侧边安装一枚小小的耦合芯片，即可将其部署成智能电子车牌[4-5]。整个过程方便快捷，如若在已经安好车牌的车辆上安装，也只需一把螺丝刀即可轻松解决[6]。

1 RFID设计方案选择

在RFID系统中，不管是发射还是接收，都离不开天线。而天线本身属于一种电磁辐射器件，对金属最是敏感，如果天线附近有别的金属，其性能会大打折扣[7]。因此如果将RFID标签直接粘贴在含有金属丝的挡风玻璃上，受金属丝的影响，RFID天线无法发挥所设计的性能[8]。

RFID的一个最重要指标是识别距离，无源RFID标签是一个半双工的工作系统[9]，利用电磁波的反射原理，RFID天线在接收到电磁波后，将能量传给内部存储器(称之为芯片)，当芯片达到激活阈值后，标签便开始工作，标签将内部存储的数据再通过标签的天线，将信号传给阅读器天线[10]。这才是RFID一个完整的传输链。

标签的识别距离与标签天线的方向性、标签附着材料的介电、极化方式和传播环境等有关。其读距d可以通过弗里斯(Friis)自由空间公式来计算：

其中，λ为波长，Pt为阅读器的发射功率，Gt为发射天线的增益，Gr为标签天线的增益，Pth为标签芯片的开启功率，η为有效功率系数。

假设标签贴在玻璃上，查阅相关资料得知，玻璃在制作的时候，根据需求不同，工艺也不同，其制作的材料也不太一样。因此玻璃的介电常数有很大的浮动空间，其介电常数波动范围为2～12。通过粗略计算式计算：

其中，λP为等效波长，C为光速，f为工作频率，εr为当前介电常数。

因此，其工作时的波长应为 0.28 λ～0.7 λ，相对带宽计算公式为：

变换代入计算，可知其相对带宽约需要达到2.5的倍频程，因为在汽车玻璃上粘贴，需要越轻薄越好，只能使用陶瓷基片或Inlay来实现，而这种近乎二维平面的天线设计要想达到2.5倍频程的带宽，近乎不可能。

因此，本文将目标转换至车牌，考虑利用车牌突出的天然优势，将其作为辐射体。每辆汽车的车牌尺寸基本相近，且安装方式相同，无遮挡，无介电差异很大的介质存在，然后将车牌后的金属引擎盖以及防撞梁作为镜面反射板，充分利用其结构，发挥天线的辐射特性，那么就不需要在玻璃上粘贴标签了[11]。

下面针对车牌进行优化设计。

1.1 RFID智能车牌标签设计计算

通常，功率有效系数的表达方式可以表示为：

其中，Zin=Rin+jXin为芯片阻抗，Zl=Rl+jXl为天线阻抗。

为了传输最大功率，标签天线的输入阻抗与芯片的阻抗必须共轭[12]，只有这样标签才能发挥其最大的读距效果。标签设计谐振频率为920 MHz，本文选择Alien H3芯片为例，计算芯片的输入阻抗。

查阅芯片手册，得知芯片的电参数特性为0.85 pF并联1 500 Ω，由下式计算阻抗。

其中，Zin为芯片的阻抗值，经计算得芯片阻抗为27.1-j200 Ω。

设计结构如图1所示。该天线为一个3层微带结构，基材为 RF4。长 80 mm，宽 40 mm，在宽 20 mm处有一阶梯，基材总厚度 h=2 mm，阶梯部分 h1=1 mm，微带底板覆铜。天线一端伸到车牌下方，通过耦合的方式，将车牌作为RFID天线的一部分，另一部分通过通孔延伸至FR4表面。

图1 标签结构示意图

顶端振子长度为L，宽度为W，通过调整L和W的尺寸，可以改变天线的阻抗以及天线的谐振频率。

1.2 建模与仿真

(1)优化长度 L

通过微带计算公式：

其中，f为天线的工作频点，εeff为介质的有效介电常数。可以估算天线的长度应为78 mm左右。

仿真软件中按以上参数建模，并带入参数L，观察L的变化与天线谐振的关系，如图2所示。可以看出，当L=70 mm时，计算出天线谐振频率约为930 MHz，符合RFID工作频率要求。

(2)优化 W

通过改变W的宽度微调标签天线的谐振频率，可以得出当W=6 mm时，天线的工作频点为925 MHz。

图2、图3为标签的频率随W、L变化时的曲线图。从图中可以看出，当L=70 mm、W=6 mm时，天线的各项参数满足设计所需求的各项指标，振点S11达到35 dB，此时天线的10 dB带宽为80 MHz，增益可达9.18 dB。图4为天线的辐射方向图。

根据仿真后的辐射方向图，其最大辐射方向是向汽车两侧辐射，不是正对前方，降低了标签多路径反射的风险[13]，也就是RFID串读的风险大大降低了。如果在汽车侧面安装读写器天线，当汽车通过闸机口时，读写器的识别效果就非常良好，如图5、图6所示。

图2 不同L值与标签谐振点曲线图

图3 不同W值与标签谐振点曲线图

图4 标签辐射方向图

2 实际测试

按照本文设计加工成实物后测试，粘贴于400 mm×140 mm金属板上，使用1 W发射功率、6 dB固定式读写器天线，测得标签读距最远可达15 m，这比以往粘贴在玻璃上(9654标签)6～8 m的读距效果好很多。表1为天线的各项尺寸参数。

本方案因特殊的结构，可以通过一些简单的物理手段(如增加V槽等)将这种RFID设计做成一拆即毁的防拆型标签，从而做到一车一牌，不可复制和转移。这种方式可以有效遏制和打击套牌、遮挡牌号等非法犯罪活动。

图5 标签在汽车上辐射方向图-俯视

图6 标签在汽车上辐射方向图-前视

3 结论

本文设计方案避开了介电常数变化较大且部分情况下含有金属丝的汽车挡风玻璃，在应用中完全不受车辆种类的限制，安装方便，可直接将标签塞于汽车车牌之下，拆卸即毁，有很好的使用前景。

表1 标签尺寸示例尺寸 (mm)

这种设计方案相较前设计方案而言，带宽相对较小，只有80 MHz，但其被贴物场景单一，对于窄带的RFID频段而言，这个带宽足够使用了。