RFID电子车牌用树脂缝隙天线的设计

材料制作的车号牌中，但也存在着潜在的问题，因为典型车号牌的反光膜包含一层蒸汽涂层，它会影响天线的辐射方向图。即便不使用反光膜，绝大多数的车牌也是金属材料制成的，位于金属车牌后方的上述类型的天线将不能正常工作。然而，缝隙天线具有低轮廓、成本低、容易制作而且易于与电路集成等特点，特别适用于电子车牌。虽然有很多应用在不同频段的RFID缝隙天线的相关研究文献被报道[5⁃10]，但对于电子车牌而言，缝隙的设计必须在不破坏车牌表面的汉字、字母以及数字的前提下进行，而且仅采用空气缝隙天线可能会因为机械强度不够导致变形进而破坏天线的性能。

针对上述问题，本文设计了一款工作在2.45 GHz（2.4～2.483 GHz）的弯折环氧树脂缝隙天线。该天线不仅能够将有源RFID标签模块与金属车牌有效集为一体，而且固化后的环氧树脂具有良好的物理化学性能，它对金属材料具有优异的粘接强度、介电性能良好（相对介电常数通常为3.8～4.2）、变定收缩率小、制品尺寸稳定性好、硬度高且柔韧性较好，在树脂缝隙上刷漆后。从表面上看与普通车牌没有任何区别，这样做不仅加强了天线的机械强度，而且还达到了美观的效果。

1 电子车牌及天线结构模型的设计

图1为所设计的树脂缝隙天线电子车牌结构模型示意图。其中，金属车牌通常为铝制车牌，不同国家车牌的尺寸有可能不同，本文以我国九二式标准铝制机动车车牌为例进行设计。通常是用两个螺钉通过车牌上方的椭圆形悬挂孔将车牌固定于车身前端的，由于车辆本身是金属物体，当电子车牌安装于车辆上时，势必会对天线的性能产生影响。因此，在建模中采用一个大小为1 320 mm×420 mm的金属接地板，平行放置于电子车牌的后方模拟车身。此外，还应考虑到有源标签电池的厚度，故设电子车牌到接地板的距离为5 mm。

电子车牌具体的几何结构如图2所示，我国铝制车牌的大小为[L×W=440 ]mm×140 mm，车牌上通常有1个汉字、1个间隔点、6个英文字母或数字以及4个在坐标系中分别位于（y，z）=（-123.5，±57.5） mm和（y，z）= （101.5， ±57.5） mm的用于固定车牌的椭圆形悬挂孔。

为了不破坏电子车牌表面的汉字、字母和数字，天线可采用弯折的缝隙结构，且在缝隙中填充环氧树脂，如图2所示。该天线相对于[z]轴对称，两边各有3个弯折点。两个馈电点位于底部缝隙的中间（标记于图2的缝隙[L1]上）。该天线具体的几何结构和参数定义见图2。

图1 树脂缝隙天线电子车牌

图2 电子车牌上的树脂缝隙天线结构和参数

有源RFID电路模块附着于电子车牌的反面，如图3（a）所示。图3（b）为该缝隙天线的具体馈电结构示意图，标签电路模块的接地端与电子车牌上的底部缝隙的上边沿馈电点相连。标签电路的天线输入端口处为波导共面（CPW）结构，为了使标签电路能够很好地与该缝隙天线集成，可从天线输入端口起在电路基板上加一段带线，将其延伸并越过缝隙与电子车牌上的底部缝隙的下边沿馈电点相连，带线的宽度为1.5 mm，长度[x1]主要是根据天线优化过程以及天线与输入端口阻抗匹配程度确定的。标签电路的输出阻抗为50 Ω，为了使该树脂缝隙天线与标签电路良好匹配，所设计的天线的输入阻抗也应为50 Ω。

2 仿真结果与分析

2.1 主要结构参数对天线频带特性的影响

2.1.1 H1对天线频带特性的影响

采用电磁仿真软件HFSS初始建模时，设图2中缝隙宽度[w1=]1 mm，底部水平缝隙长度[L1=]58 mm，两侧竖直缝隙长度[L2=]90 mm[+2H1，][L3=L4=0] mm，缝隙中填充的环氧树脂相对介电常数[εr=3.8，]图3所示的馈电结构中所加铜带线长度[x1=]2 mm，即初始模型为U型结构。改变[H1，]即竖直缝隙[L2]的长度，使其从9 mm变化到13 mm，即[L2]从108 mm变化到116 mm，仿真得到的天线回波损耗[S11]曲线如图4所示。从图中可以看出，随着[H1]的增加，即竖直缝隙总长度[L2]的增加，天线的谐振频率逐渐向低频移动，谐振程度有所增加，阻抗带宽逐渐变宽。考虑到实际制作的问题，不希望缝隙距车牌上、下边缘或数字太近，故选取中间位置[H1=]11 mm，即[L2=]112 mm。

2.1.2 [L3]对天线频带特性的影响

由于车牌上可开缝的空间有限，为了能够保持天线结构对称，考虑在初始模型参数的基础上，在顶部对称增加水平缝隙[L3，]且[L3=L1=58]mm，结构如图2中所示。对比有无[L3]对回波损耗[S11]曲线的影响，其仿真曲线如图5所示。从图中可以看出，增加顶部水平缝隙[L3]后，谐振频率向高频移动，带宽有所增加，虽然谐振频率在2.45 GHz频段范围内，但阻抗带宽（S11≤-10 dB）仍不满足要求。

2.1.3 [L4]对天线频带特性的影响

根据第2.1.1节中分析的结论，可在第2.1.2节中模型参数的基础上，在顶部水平缝隙[L3]两侧对称增加竖直缝隙[L4，]以调谐谐振频率，并增加谐振程度和带宽，结构如图2所示。改变[L4，]使其从40 mm变化到60 mm，仿真得到的天线回波损耗[S11]曲线如图6所示。从图中可以看出，[L4]的增加对回波损耗曲线的影响与第2.1.1节中分析的结论类似，只是谐振频率向低频移动的程度不如第2.1.1节中程度大，原因在于竖直缝隙[L4]的长度要比[L2]的长度短的多。为了不让谐振频率向低频位移过度，不再增加竖直缝隙[L4]的长度。图6中[L4=60]mm时，带宽已满足2.45 GHz频带要求。

2.1.4 [w1]对天线频带特性的影响

保持参数[εr=3.8，][L1=L3=58]mm，[H1=11]mm（[L2=]112 mm），[L4=60 ]mm，[x1=2]mm不变，改变缝隙宽度[w1，]使其从1 mm变化到2 mm，仿真得到的天线回波损耗[S11]曲线如图7所示。从图中可以看出，随着缝隙宽度的小幅增加，谐振频率向高频大幅度移动，并且带宽有所减小。因此，在实际制作天线时，对缝隙宽度的精度要求很高。

2.1.5 [x1]对天线频带特性的影响

保持参数[εr=3.8，][L1=L3=58]mm，[H1=11]mm（[L2=]112 mm），[L4=60]mm，[w1=1]mm不变，改变馈电结构中所加铜带线长度[x1，]使其从1 mm变化到3 mm，仿真得到的天线回波损耗[S11]曲线如图8所示。从图中可以看出，随着[x1]的增加，带宽有所减小，但谐振程度有所增加，谐振频率点的位置基本保持不变。

综上所述，可得设计该树脂缝隙天线的方法规律：增加水平缝隙长度可以使天线的谐振频率向高频移动，而增加竖直缝隙长度则可使天线的谐振频率向低频移动，并可增加谐振程度和阻抗带宽；天线的谐振频率对缝隙宽度的微小变化非常敏感，这就要求实际制作时缝隙宽度应具有较高的精度；馈电结构中铜带线长度对谐振频率基本没有影响，但会对阻抗带宽有一定影响。此外，在仿真过程中发现环氧树脂的相对介电常数εr在3.8～4.2范围内对天线回波损耗以及方向图均没有太大影响。

2.2 优化后的天线仿真结果与分析

通过数次数值仿真和优化，图2和图3中所定义的电子车牌树脂缝隙天线的几何参数值分别为：εr=3.8，[w1=1]mm，[L1=58]mm，[H1=11]mm（[L2=112]mm），[L3=][58]mm，[L4=60 ]mm，[x1=]2 mm。

图9为仿真优化后得到最终天线的回波损耗结果。从图中可以看出，该天线谐振在2.45 GHz，其工作频段范围为2.4～2.5 GHz，带宽为100 MHz，谐振峰值[S11]为-28.96 dB，所设计的弯折树脂缝隙天线能够覆盖RFID 2.45 GHz频段范围，满足实际应用中的需要。

图10为仿真得到的谐振频率2.45 GHz处的三维方向图，从图中可以看到，[xy]平面以上的空间内主要有三个波瓣，中间的波瓣（[φ=]0°，即[xz]平面）向[x]轴上方倾斜28°（[θ=62°]），两侧的波瓣（[φ=38°]和[φ=322°]）均向上方倾斜22°（[θ=68°]），虽然中间的那个波瓣有稍许的分裂，但并不影响RFID阅读器的识别，其归一化二维方向图如图11所示。同时，通过仿真可得到该天线的最大增益为9.625 dB，说明该天线是一个高增益天线。上述方向图在ITS领域中能够满足RFID阅读器部署的需要。例如，可将阅读器安装在车道两侧的灯柱上，则左、右两侧上倾的波瓣可使阅读器与电子车牌相互通信；也可将阅读器架设在收费站车道上方，则中间上倾的波瓣可使阅读器与电子车牌相互通信。

2.3 阅读距离的估算

由于本文所设计的电子车牌中采用的有源RFID模块ML⁃T80与文献[11]中设计时所用相同。因此，根据仿真所得的最大增益和文献[11]中所测量的阅读距离，本文设计的电子车牌的读取距离是容易估算的。

由RFID系统的功率传输方程[12]：

[Pr=λ（4πR）2PiGtGr] （1）

式中：[Pr]为接收天线的接收功率；[Pi]为发射天线的发射功率；[Gr]为接收天线的增益；[Gt]为发射天线的增益；[R]为收发天线间的距离；[λ]为工作波长。

对于文献[11]中的电子车牌，阅读器天线的接收功率[Pr1]为：

[Pr1=λ（4πRmax，1）2PiGt1Gr] （2）

式中：[Rmax，1]为实际测量的最大阅读距离，其值为92 m；[Gt1]为仿真得到的最大增益，其值为10.683 dB。

对于本文所设计的电子车牌，阅读器天线的接收功率[Pr2]为：

[Pr2=λ（4πRmax，2）2PiGt2Gr] （3）

式中：[Rmax，2]为估算的最大阅读距离；[Gt2]为仿真得到的最大增益，其值为9.625 dB。

因为两电子车牌采用相同的有源RFID模块，假设使用相同的阅读器ML⁃M800，则由式（2）和式（3）可得：

[λ（4πRmax，1）2PiGt1Gr=λ（4πRmax，2）2PiGt2Gr] （4）

即：[Gt2Gt1=Rmax，2Rmax，12] （5）

式（5）两边取dB得：

[Gt2（dB）-Gt1（dB）=10lgRmax，2Rmax，12] （6）

将数据代入由式（6）得：[Rmax，2=82 ]m。由此可见，本文所设计的树脂缝隙天线使得电子车牌的最大理论阅读距离较远，能够满足ITS对阅读距离的需求。

3 结 语

本文设计的弯折树脂缝隙天线，不但将RFID模块与电子车牌有效集为一体，而且弥补了空气缝隙天线可能会因为机械强度不够导致变形从而影响天线性能的局限性。通过仿真研究了设计该树脂缝隙天线的一般规律，优化后的天线能够工作在RFID 2.45 GHz频段，其方向图和最大理论阅读距离能够满足远距离车辆自动识别时通信的需要。

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