面向干式水表产品追溯的RFID 标签天线设计*

王 翠，洪 涛

(中国计量大学 质量与安全工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引言

干式水表，是指水表计量机构采用磁性元件传动，计数器不与被计量水接触的一种旋翼式水表，具有读数清晰、抄表方便、计量精确、经久耐用等特点，从而被广泛采用[1-2]。为了保证干式水表的全生命周期产品追溯，必须将RFID 电子标签安装在干式水表内部，但干式水表内部存在鼓轮转动轴、叶轮磁片等金属元件。在RFID 超高频系统中，射频信号对金属环境[3-4]十分敏感，当标签天线接近金属表面时，因电磁感应的影响，金属会产生涡流[5-6]，生成自身感应磁场，导致磁力线趋于平缓[7-8]，无法穿过标签天线，RFID 标签无响应。这给应用于干式水表的RFID 电子标签设计带来了难度。一种用于手术刀的RFID 抗金属标签天线[9]总体尺寸为66 mm×5 mm，采用短路短截线结构，应用高介电常数介质基板达到小型化目的，可嵌入金属或者贴敷于金属表面，最大读距为1 m，但该抗金属标签天线尺寸较大，且读距较小，不适用于内部结构复杂的干式水表。一种抗金属标签应用短路环偶极子天线结构[10]，其尺寸为76 mm×3 mm，靠近金属表面，采用FR4 材质，在-10 dB 处带宽为101 MHz，具有较好的抗金属效果，但其天线结构因干式水表固定装置和机芯的干扰无法在水表中实现。

针对以上内容，本文基于对T 型结构、弯折加载、耦合结构的特点分析，通过对常用弯折偶极子天线电小环结构的设计和相关参数的调整，实现天线回波损耗调节，中心频点的移动，可有效地调整标签天线适应干式水表的内部结构，满足产品追溯的识读要求。

1 天线设计

1.1 标签的识别距离分析

标签天线能够被读写器天线识读的距离是标签天线在实际应用中的重要指标。其最大距离l 通过弗里斯(Friis)传输方程[11-12]计算得出：

式中，l 为读写器天线与标签之间的最大识读距离，λ 为工作环境的波长，PT为读写器天线发射的功率，GT为读写器天线的增益，GR为标签天线增益，S11为标签天线馈电口的回波损耗，PTh为应用芯片的最低激活功率。

通过式(1)可知，在保证读写器和标签芯片一致的情况下，标签天线最大识读距离由标签天线的回波损耗和增益决定。

1.2 天线结构设计

干式水表的结构如图1 所示。水表上半部分由保护罩、机芯以及机芯的上下壳组成，材质均为塑料，其下半部分为表体，材质为金属黄铜。由于水表内部空间狭小且结构复杂，很难采购到适用的RFID 电子标签将其安装在表内，以实现产品追溯。因此本文需要设计一款可抗金属影响的RFID 电子标签，同时体积尽可能小。

图1 干式水表结构图

RFID 标签由基板、标签芯片、标签天线组成[13]。为了加工方便，本次设计基板选用FR4 材质；芯片采用Alien Higgs4 芯片，该芯片阻抗为26-199 jΩ，体积小且具有较少的引脚个数，数据可保存50 年，能满足本次设计需要；标签天线设计则要综合考虑抗金属、体积、读写性能等各因素。文献[14]提出了一种偶极子天线，可实现较好的抗金属效果；文献[15]提出在满足天线谐振频率的前提下，通过对偶极子天线进行弯折，可减小天线的尺寸，适应各种不同的空间结构；文献[16]进一步对弯折偶极子天线的弯折次数、弯折高度和弯折角度进行了研究，可实现在减小体积的同时改善读写性能，但其指的是对弯折偶极子辐射臂的弯折，在固定基板结构上完成天线的参数指标较为受限；文献[11]通过改变馈电方式可实现标签天线性能的提高，如T 型馈电、Y型馈电、耦合馈电，但这些馈电结构在本文中因干式水表表芯和固定装置的限制并不适用。故本文在如图2所示常用弯折偶极子天线的基础上，应用弯折加载和改变馈电结构的方式对馈电口所在的电小环进行内凹弯折设计，见图3。总体设计的天线结构图见图4，外形尺寸为54 mm×11 mm。电子标签可嵌入到干式水表中，安装示意图见图5。

图2 常用弯折偶极子天线

图3 电小环内凹弯折结构

图4 标签天线结构模型图

图5 干式水表结构模型图

2 标签天线的参数分析与优化

基于标签天线最大识读距离分析和标签天线结构设计，为寻求本文所设计标签天线电小环的内凹弯折结构参数对回波损耗、中心频点的影响，在保证其他结构参数不变的情况下，应用Ansofot HFSS16.2 天线对本文所设计标签天线电小环的部分参数H2、L1、L3进行分析与优化。在天线结构参数H4不变的情况下，弯折结构内凹深度用H4=1.6 mm+a 表示。由于在天线结构参数L5、L2不变的条件下L1和L3相互约束，其具体关系为L1=0.6 mm+b、L3=5.1 mm-b。于 是 对 结 构 参 数H2、L1、L3分析转化为对变量a、b 进行相关仿真及分析，a 和b的范围分别为a∈[0，0.2]，b∈[0，0.8]。在基板结构和尺寸限制下，该天线的主要参数范围如表1 所示。仿真结果如图6 和图7 所示。

表1 天线的主要参数取值范围

为直观表征标签天线结构参数影响，对于L1取经验值1.2 mm。L1保持不变的情况下，对本文所设计的弯折偶极子天线结构参数H2变化即动态变量a 变化的回波损耗见图6。从图6中可知，参数H2变化对天线的中心频率和回波损耗均存在着影响，其中a=0.2 mm，即H2=1.8 mm 时中心频点达到1.04 GHz，回波损耗值为-33.44 dB。当a=0.12 mm，即H2=1.72 mm的中心频点为1.03 GHz，回波损耗为-29.22 dB。故结构参数H2对中心频率影响较小，当H2=1.8 mm 时回波损耗最低。由于标签天线基板结构的限制，结构参数H2不能无限制加大，H2只能限制在小于等于1.8 mm的范围内，且仿真时a的变化步长为0.04 mm，故该结构参数对回波损耗影响较大，可有效提高标签天线的最大识读距离。

图6 标签天线变量参数a 变化的回波损耗

同样对于H2取经验值1.8 mm。H2保持不变，对天线结构参数L1、L3即变量参数b 变化的回波损耗进行仿真，其变化步长为0.2 mm。标签天线变量参数b 变化的回波损耗见图7。由图7 可知，当b=0.6 mm，即L1=1.2 mm，L3=4.5 mm，回波损耗为-33.452 dB，中心频点为1.04 GHz；当b=0.4 mm，即L1=1.0 mm，L3=4.1 mm，其回波损耗为-28.45 dB，中心频点为1.03 GHz。故结构参数L1、L3对中心频率影响较小；当结构参数L1=1.2 mm，L3=4.5 mm时，回波损耗最低。由于变量参数b 变化步长0.2 mm 高于变量参数a 变化步长0.02 mm，故结构参数L1、L3对天线的回波损耗影响较低，对有效提高标签最大识读距离影响较小。

图7 标签天线变量参数b 变化的回波损耗

综上所述，根据L1、L3、H2对标签天线回波损耗的影响，对其进行参数调优。调优结果：当H2=1.8 mm 和L1=1.2 mm，L3=4.5 mm 时回波损耗最低，根据式(1)，标签天线得到最大的识读距离与回波损耗成负相关，故此时标签天线得到识读距离最大。

3 实验验证与分析

3.1 标签天线实际距离测试

基于以上天线仿真试验，本文设计标签天线的结构参数H2=1.8 mm 和L1=1.2 mm、L3=4.5 mm，其回波损耗、增益仿真结果如图8 所示。从仿真结果可以看出天线的中心频点为1.04 GHz，当回波损耗低于-15 dB，带宽为930 MHz～1.07 GHz。

图8 天线回波损耗仿真

将标签天线嵌入到干式水表中，采用Alien 定向读写器天线测试，其工作频率为922.5 MHz，发射功率为1 W，增益为8.6 dBi，测试场景如图9 所示。实际最大识读距离为3.2 m，满足实际需求。

图9 标签天线的距离测试场景

3.2 标签天线最低激活功率测试

本文所设计天线应用Ansofot HFSS16.2 仿真，中心频点为1.04 GHz，实际最大识读距离为3.2 m，但是不能确定其实际中心频点是否在920 MHz 附近。根据式(1)，当读距l 确定时，最低激活功率PT与回波损耗成正相关，即最低激活功率P 和回波损耗S11的趋势一致，因此通过在微波暗室中测试裸标签和放入干式水表标签在800 MHz～940 MHz 范围的最低激活功率验证实际环境中的中心频点。其测试场景见图10 和图11。

图10 裸标签天线测试场景

图11 放入干式水表的标签天线测试场景

随机抽取6 个标签天线，对裸标签和放入干式水表的标签进行测试，测试结果见图12 和图13。根据图12裸标签在认可度可偏移2 dBm的条件下，中心频点为870 MHz，带宽达80 MHz 左右，最低激活功率达6.5 dBm。由图13 可知，放入干式水表的标签在认可度可偏移2 dBm的条件下，带宽在60 MHz 左右，带宽变小，中心频点右移，为900 MHz，接近920 MHz，在国家超高频频段范围内，且最低激活功率在6 dBm 左右，故通过HFSS 仿真的中心频点为1.04 GHz的标签天线符合在实际应用中需求。

图12 裸标签天线测试结果

图13 放入干式水表的标签天线测试结果

4 结论

本文针对干式水表复杂的内部结构在PCB RFID 弯折偶极子天线的基础上设计了一种内凹弯折的电小环结构，尺寸为54 mm×11 mm，读距离为3.2 m，在完成天线小型化设计的同时满足了金属类干式水表产品追溯的现实要求。另一方面，本文所设计的内凹弯折电小环结构为弯折偶极子天线适用不同结构的设计提供了新的思路，未来可将其推广至更多的应用领域。