抗移动通信终端干扰的UHF RFID标签天线设计方法

欧阳国军

摘 要： 我国的UHF RFID使用的800/900 MHz频段距离移动通信CDMA800、GSM等频段较近，易受到移动通信系统的干扰，导致RFID标签的解调误码率增加。在分析干扰形成机理的基础上，通过对UHF频段频率分布的分析，提出了抗移动通信终端干扰的UHF RFID标签天线设计方法，推导出介质基板厚度[h]计算公式。将该方法应用到IT设备资产进行管理的RFID标签天线设计上，仿真结果表明，RFID频段的回波损耗[S11]值均小于-10 dB， CDMA800、GSM等频段的回波损耗[S11]均大于-10 dB，RFID频段的电压驻波比VSWR值均小于2，移动通信频段的电压驻波比VSWR值均大于2，获得了良好的抗移动通信终端干扰的性能。

关键词： 移动通信干扰； RFID标签； 标签天线； 抗干扰； UHF频段

中图分类号： TN929.5?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）09?0066?04

0 引 言

UHF RFID标签是指工作频率为860～960 MHz的无源RFID标签。UHF RFID标签无需外部电源、读写距离可长达10 m、数据通信速率最高可达640 Kb/s、一次性可以读取上千个标签、制造成本低[1]，因而在物流管理、电子商务、交通控制、资产管理等领域的应用潜力巨大[2?5]。随着《信息技术射频识别800/900 MHz空中接口协议》（GB/T 29768?2013）标准的发布，UHF RFID技术已成为我国RFID领域的主流技术。但在RFID系统应用过程中，还存在读取率低、读取范围小、易受干扰等问题，导致推广和普及困难，建好的系统故障也较多，严重影响正常使用。其中移动通信系统的干扰就是一个在应用中需要解决的问题。

GB/T 29768?2013规定我国的UHF RFID频段为840～845 MHz和920～925 MHz，距离移动通信CDMA800（下行870～880 MHz，上行825～835 MHz）、GSM（下行930～960 MHz，上行885～915 MHz）等频段较近，易受到移动通信系统的干扰，文献[6]认为干扰源主要为工作场所无处不在的移动通信终端设备。本文在分析干扰形成机理的基础上，提出了抗移动通信终端干扰的UHF RFID标签天线设计方法。

1 移动通信终端干扰的形成过程

1.1 UHF RFID工作原理

UHF RFID系统采用电磁波传播耦合的工作方式，原理如图1所示，工作过程分为两部分。

图1 UHF RFID系统工作原理

（1） 阅读器天线首先向RFID标签发一段询问信号，其中包含能量及选择（Select）、询问（Query）指令。RFID标签通过标签天线接收读写器发送的询问信号，将能量转换为电压，为标签芯片供电，当电压足够高时，标签芯片被激活而工作。标签芯片激活后，接收阅读器的询问指令，根据阅读器的询问指令进行相应的动作。

（2） 阅读器与标签根据协议进行应答通信。阅读器再发送一段连续波，为被激活的标签提供工作能量。激活的标签在这段连续波时间内通过反向散射调制方法给阅读器以应答，阅读器收到应答信号后，发送一个确认指令和一段连续波，标签在连续波的时间内将数据发送给阅读器，阅读器收到数据后，再向标签发回确认指令。

1.2 标签的等效电路模型

微带天线等效为并联电路[7]，在图2中，阅读器询问信号在天线上感应出电流[IS，][ZC]为芯片输入阻抗。

图2 标签等效电路模型

天线电路的导纳为：

[Y=G+j[ωC-1/（ωL）]] （1）

则作用在芯片阻抗上的端电压[U]为：

[U=IY=I1R+j[ωC-1（ωL）]] （2）

当[ωC=1（ωL），]即发生并联谐振时， 谐振频率为：

[f0=12πLC] （3）

此时[U]获得最大值[U0。]天线电路的通频带分布图如图3所示，天线电路的带宽为：

[BW=f2-f1] （4）

表示天线的频率选择性，即在此频率范围内的信号将有可能激活芯片，我国规定的UHF RFID在806～960 MHz的天线端口发射杂射限值要求为-52 dBm。

图3 天线电路的通频带分布图

1.3 我国UHF频段内移动通信与RFID的频段划分

我国UHF频段内移动通信与RFID的频段划分见表1。

表1 我国UHF移动通信与RFID频段划分 MHz

[CDMA800

上行＼&RFID＼&CDMA800

下行＼&GSM上行＼&RFID＼&GSM下行＼&825～835＼&840～845＼&870～880＼&885～915＼&920～925＼&930～960＼&]

1.4 移动通信终端对RFID标签的干扰

从表1看出，CDMA800上行频段与RFID的840～845 MHz频段、GSM上行下行频段与RFID的920～925 MHz频段相距5 MHz，很容易产生交调干扰与互调干扰[8]，如果UHF RFID标签天线的频率选择性能不理想，移动通信终端发射的电磁波频率在标签天线的谐振带宽内，也会被标签天线感应而激活芯片，移动通信终端发射的电磁波被耦合到标签芯片中，由于此种电磁波所携带信息是随机的，编码方式也与UHF RFID系统信号不相同，导致标签芯片的输入端信躁比降低，RFID标签的解调误码率增加[6]。

2 抗移动通信终端干扰的设计方法

为了分析方便，将表1的我国UHF RFID频段与移动通信UHF频段的范围，绘制成UHF频段频率分类图，如图4所示。

图4 我国UHF频段分类图

设RFID频段宽度为[frfid，]CDMA、GSM的UHF频段离RFID频段最近的距离为[fmin，]从图3可知，要消除移动通信频带对标签工作的影响，天线的通频带不能涵盖移动通信的频段部分，所以天线的最大带宽为：

[BW=frfid+2fmin] （5）

由于：

[BW=VSWR-1QTVSWR] （6）

天线总的品质因素[QT]可表示为：

[1QT=1Qr+1Qd+1Qc]

式中[Qr，][Qd，][Qc]分别为辐射、介质和导体损耗[Q]值。由于实际的[Qd]和[Qc]远大于[Qr，]文献[9]给出[QT]的近似计算式：

[QT?Qr=cεre4frh] （7）

式中：c为光速，[εre]有效介电常数；[fr]为谐振频率；[h]介质基板厚度。由式（5）～（7）可求得：

[h=c（frfid+2fmin）εreVSWR4fr（VSWR-1）] （8）

合理选取[εr]值、损耗正切[tanδ]值，按式（8）计算[h]值，完成介质基板材料的选取，RFID标签天线的带宽不会涵盖CDMA、GSM的频段，即移动通信系统发射的电磁波在天线上的回波损耗[S11>]-10 dB，不致触发芯片工作，天线具备了良好的抗移动通信终端干扰的性能。

3 在UHF RFID标签天线设计中应用

机关、企事业单位的IT设备，通常位于办公室和实验室，这些场所工作人员、学生几乎人手一部手机，且多在IT设备附近从事工作和学习，对IT设备资产进行管理的RFID标签可能会受到手机发射信号的干扰而导致工作不正常。现利用前面提出的抗移动通信终端干扰的设计方法，对RFID标签天线进行设计，提高天线的频率选择性能，消除移动通信终端干扰的影响。

3.1 标签天线设计过程

RFID标签天线采用同轴馈电微带天线结构，基本结构包括三个部分：辐射贴片、介质基片、同轴馈线，如图5所示。其中，介质基片作为反射面，辐射贴片是与参考地平面平行的金属片，馈线用于信号传输，通过合理设置同轴馈电点位置实现双频。设计指标为：

（1） 工作中心频率为842.5 MHz和922.5 MHz；

（2） 标签天线的抗干扰性能：本系统反射系数[S11≤-20 dB（VSWR≤2.0），]异系统反射系数[S11≥-10 dB（VSWR≤2.0）]；

（3） 最大增益[Gant≥]6 dB。

为了降低移动通信终端的影响，谐振频率要尽量离CDMA、GSM频段远些。在设计时，定义922.5 MHz为第1谐振频率，842.5 MHz为第2谐振频率，从图4可得出，[frfid=]5 MHz，[fmin=]5 MHz。初始参数计算时参考谐振频率[fr]取922.5 MHz，考虑应用场合对天线安装面积或体积重量没有特别的限制，但对天线的增益要求较高，故取[εr=2.45，][tanδ]=0.001 8的PTFE基板材料，取[VSWR=2，]将数据代入式（8）计算，得：

[h=c（frfid+2fmin）εreVSWR4fr（VSWR-1）=2.7 mm]

图5 标签天线结构

标签天线的其他尺寸由下列公式求出[10?12]：

[W=c2frεr+12-12] （9）

[εre=εr+12+εr-121+12hW-12] （10）

[λg=cfrεre] （11）

[ΔL=0.412h（εre+0.3）（Wh+0.264）（εre-0.258）（Wh+0.8）] （12）

[L=c2frεre-2ΔL=0.5λg-2ΔL] （13）

介质板长度：

[Lg=L+0.2λg] （14）

介质板宽度：

[Wg=W+0.2λg] （15）

[L1=L（1-1ξre（L））2] （16）

式中[ξre（L）=（εr+1）2+（（εr-1）2）（1+12hL）-12。]

[W1=W（1-1ξre（W））2] （17）

式中[ξre（W）=（εr+1）2+（（εr-1）2）（1+12hW）-12。]

式（9）中的[W]为辐射贴片宽度；式（13）中[L]为辐射贴片长度，式（16）中[L1]为同轴馈电点到[x]轴距离；式（17）中[W1]为同轴馈电点到[y]轴距离。

经计算和应用HFSS软件优化，最终天线的尺寸见表2。

3.2 标签天线抗干扰性能分析

使用HFSS 13.0软件进行建模，运行仿真分析，标签天线的回波损耗曲线如图6所示，其中[L=]100.5 mm，[W=111.0 ]mm，[L1=]16.0 mm，[W1=]16.0 mm，[Rfeed=]0.6 mm。

从图6可知，移动通信各频段的回波损耗[S11]值见表3，均大于-10 dB。

表2 天线设计变量与数值

[参数名称＼&变量名称＼&仿真初值 /mm＼&介质基板厚度＼&[H]＼&2.7＼&辐射贴片长度＼&[L]＼&100.5＼&辐射贴片宽度＼&[W]＼&111.0＼&同轴馈线半径＼&[Rfeed]＼&0.6＼&同轴馈电点到[x]轴距离＼&[L1]＼&16.0＼&同轴馈电点到[y]轴距离＼&[W1]＼&16.0＼&]

图6 [S11]分析结果

表3 移动通信频段[S11]值

[频段 /MHz＼&[S11]值 /dB＼&825～835＼&-5.72< [S11]<-1.46＼&870～880＼&-0.90< [S11]<-0.76＼&885～915＼&-5.89< [S11]<-0.79＼&930～960＼&-8.08< [S11]<-0.70＼&]

[S11≤]-10 dB的频率范围如图7所示，840～845 MHz频段为838.6～845.9 MHz，920～925 MHz频段为919.7～928.8 MHz，涵盖了我国UHF RFID的全部频段。

图7 [S11≤-10]dB涵盖的频率范围

标签天线的电压驻波比VSWR如图8所示，各频段的VSWR范围见表4，RFID频段的VSWR值均小于2，移动通信频段的VSWR值均大于2。

三维增益方向图如图9所示，从图中可以看出天线的最大辐射方向是微带贴片的法向方向，最大增益值为7.28 dB，增益性能良好。

表4 各频段VSWR值范围

[频段 /MHz＼&VSWR值＼&825～835＼&3.51

图8 电压驻波比VSWR分析结果

图9 三维增益方向图

4 结 论

经在UHF RFID标签天线设计中仿真验证，使用本文提出的抗移动通信终端干扰的UHF RFID标签天线设计方法设计的标签天线，抗移动通信终端干扰性能良好，并且有高增益性能。本方法具备较大的工程应用价值。

参考文献

[1] 莫凌飞.超高频射频识别抗金属标签研究[D].杭州：浙江大学，2009.

[2] 董丽华.RFID技术在物流领域中的应用[J].上海海事大学学报，2006（z1）：169?172.

[3] 冯永健，赵林度.基于RFID技术的电子商务物流体系研究[J].物流技术，2005（10）：216?219.

[4] 陈丽芳，刘渊.基于RFID技术的城市交通信号优化控制[J].计算机工程与科学，2011，33（6）：178?181.

[5] 赵鹏，吴旭，杨剑，等.基于RFID技术的高校资产管理系统分析与设计[J].江南大学学报：自然科学版，2013，12（2）：152?156.

[6] 史东，潘德胜.UHF频段无源RFID系统干扰分析与抑制策略[J].电信工程技术与标准化，2012（6）：32?35.

[7] 夏继江，曹振新.馈电同轴芯径对微带天线性能的影响[J].微波学报，2007，23（5）：23?25，36.

[8] 邵华东，李扬，薛峰.GSM移动终端对UHF RFID读取效果的影响[J].电子质量，2009（12）：4?5，16.

[9] 李艳.矩形微带贴片天线的仿真研究与设计[D].武汉：武汉理工大学，2010.

[10] 李明洋，刘敏，杨放.HFSS天线设计[M].北京：电子工业出版社，2013.

[11] 邵建兴，蒋泽.一种新型双频微带天线的分析与设计[J].重庆邮电大学学报：自然科学版，2008，20（6）：682?685.

[12] 张钧，刘克诚，张贤铎，等.微带天线理论与工程[M].北京：国防工业出版社，1988.

图6 [S11]分析结果

表3 移动通信频段[S11]值

[频段 /MHz＼&[S11]值 /dB＼&825～835＼&-5.72< [S11]<-1.46＼&870～880＼&-0.90< [S11]<-0.76＼&885～915＼&-5.89< [S11]<-0.79＼&930～960＼&-8.08< [S11]<-0.70＼&]

[S11≤]-10 dB的频率范围如图7所示，840～845 MHz频段为838.6～845.9 MHz，920～925 MHz频段为919.7～928.8 MHz，涵盖了我国UHF RFID的全部频段。

图7 [S11≤-10]dB涵盖的频率范围

标签天线的电压驻波比VSWR如图8所示，各频段的VSWR范围见表4，RFID频段的VSWR值均小于2，移动通信频段的VSWR值均大于2。

三维增益方向图如图9所示，从图中可以看出天线的最大辐射方向是微带贴片的法向方向，最大增益值为7.28 dB，增益性能良好。

表4 各频段VSWR值范围

[频段 /MHz＼&VSWR值＼&825～835＼&3.51

图8 电压驻波比VSWR分析结果

图9 三维增益方向图

4 结 论

经在UHF RFID标签天线设计中仿真验证，使用本文提出的抗移动通信终端干扰的UHF RFID标签天线设计方法设计的标签天线，抗移动通信终端干扰性能良好，并且有高增益性能。本方法具备较大的工程应用价值。

参考文献

[1] 莫凌飞.超高频射频识别抗金属标签研究[D].杭州：浙江大学，2009.

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[11] 邵建兴，蒋泽.一种新型双频微带天线的分析与设计[J].重庆邮电大学学报：自然科学版，2008，20（6）：682?685.

[12] 张钧，刘克诚，张贤铎，等.微带天线理论与工程[M].北京：国防工业出版社，1988.

图6 [S11]分析结果

表3 移动通信频段[S11]值

[频段 /MHz＼&[S11]值 /dB＼&825～835＼&-5.72< [S11]<-1.46＼&870～880＼&-0.90< [S11]<-0.76＼&885～915＼&-5.89< [S11]<-0.79＼&930～960＼&-8.08< [S11]<-0.70＼&]

[S11≤]-10 dB的频率范围如图7所示，840～845 MHz频段为838.6～845.9 MHz，920～925 MHz频段为919.7～928.8 MHz，涵盖了我国UHF RFID的全部频段。

图7 [S11≤-10]dB涵盖的频率范围

标签天线的电压驻波比VSWR如图8所示，各频段的VSWR范围见表4，RFID频段的VSWR值均小于2，移动通信频段的VSWR值均大于2。

三维增益方向图如图9所示，从图中可以看出天线的最大辐射方向是微带贴片的法向方向，最大增益值为7.28 dB，增益性能良好。

表4 各频段VSWR值范围

[频段 /MHz＼&VSWR值＼&825～835＼&3.51

图8 电压驻波比VSWR分析结果

图9 三维增益方向图

4 结 论

经在UHF RFID标签天线设计中仿真验证，使用本文提出的抗移动通信终端干扰的UHF RFID标签天线设计方法设计的标签天线，抗移动通信终端干扰性能良好，并且有高增益性能。本方法具备较大的工程应用价值。

参考文献

[1] 莫凌飞.超高频射频识别抗金属标签研究[D].杭州：浙江大学，2009.

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[6] 史东，潘德胜.UHF频段无源RFID系统干扰分析与抑制策略[J].电信工程技术与标准化，2012（6）：32?35.

[7] 夏继江，曹振新.馈电同轴芯径对微带天线性能的影响[J].微波学报，2007，23（5）：23?25，36.

[8] 邵华东，李扬，薛峰.GSM移动终端对UHF RFID读取效果的影响[J].电子质量，2009（12）：4?5，16.

[9] 李艳.矩形微带贴片天线的仿真研究与设计[D].武汉：武汉理工大学，2010.

[10] 李明洋，刘敏，杨放.HFSS天线设计[M].北京：电子工业出版社，2013.

[11] 邵建兴，蒋泽.一种新型双频微带天线的分析与设计[J].重庆邮电大学学报：自然科学版，2008，20（6）：682?685.

[12] 张钧，刘克诚，张贤铎，等.微带天线理论与工程[M].北京：国防工业出版社，1988.