抗移動通信終端干擾的UHF RFID標簽天線設計方法

歐陽國軍

摘 要： 我國的UHF RFID使用的800/900 MHz頻段距離移動通信CDMA800、GSM等頻段較近，易受到移動通信系統的干擾，導致RFID標簽的解調誤碼率增加。在分析干擾形成機理的基礎上，通過對UHF頻段頻率分布的分析，提出了抗移動通信終端干擾的UHF RFID標簽天線設計方法，推導出介質基板厚度[h]計算公式。將該方法應用到IT設備資產進行管理的RFID標簽天線設計上，仿真結果表明，RFID頻段的回波損耗[S11]值均小于-10 dB， CDMA800、GSM等頻段的回波損耗[S11]均大于-10 dB，RFID頻段的電壓駐波比VSWR值均小于2，移動通信頻段的電壓駐波比VSWR值均大于2，獲得了良好的抗移動通信終端干擾的性能。

關鍵詞： 移動通信干擾； RFID標簽； 標簽天線； 抗干擾； UHF頻段

中圖分類號： TN929.5?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0066?04

0 引 言

UHF RFID標簽是指工作頻率為860～960 MHz的無源RFID標簽。UHF RFID標簽無需外部電源、讀寫距離可長達10 m、數據通信速率最高可達640 Kb/s、一次性可以讀取上千個標簽、制造成本低[1]，因而在物流管理、電子商務、交通控制、資產管理等領域的應用潛力巨大[2?5]。隨著《信息技術射頻識別800/900 MHz空中接口協議》（GB/T 29768?2013）標準的發布，UHF RFID技術已成為我國RFID領域的主流技術。但在RFID系統應用過程中，還存在讀取率低、讀取范圍小、易受干擾等問題，導致推廣和普及困難，建好的系統故障也較多，嚴重影響正常使用。其中移動通信系統的干擾就是一個在應用中需要解決的問題。

GB/T 29768?2013規定我國的UHF RFID頻段為840～845 MHz和920～925 MHz，距離移動通信CDMA800（下行870～880 MHz，上行825～835 MHz）、GSM（下行930～960 MHz，上行885～915 MHz）等頻段較近，易受到移動通信系統的干擾，文獻[6]認為干擾源主要為工作場所無處不在的移動通信終端設備。本文在分析干擾形成機理的基礎上，提出了抗移動通信終端干擾的UHF RFID標簽天線設計方法。

1 移動通信終端干擾的形成過程

1.1 UHF RFID工作原理

UHF RFID系統采用電磁波傳播耦合的工作方式，原理如圖1所示，工作過程分為兩部分。

圖1 UHF RFID系統工作原理

（1） 閱讀器天線首先向RFID標簽發一段詢問信號，其中包含能量及選擇（Select）、詢問（Query）指令。RFID標簽通過標簽天線接收讀寫器發送的詢問信號，將能量轉換為電壓，為標簽芯片供電，當電壓足夠高時，標簽芯片被激活而工作。標簽芯片激活后，接收閱讀器的詢問指令，根據閱讀器的詢問指令進行相應的動作。

（2） 閱讀器與標簽根據協議進行應答通信。閱讀器再發送一段連續波，為被激活的標簽提供工作能量。激活的標簽在這段連續波時間內通過反向散射調制方法給閱讀器以應答，閱讀器收到應答信號后，發送一個確認指令和一段連續波，標簽在連續波的時間內將數據發送給閱讀器，閱讀器收到數據后，再向標簽發回確認指令。

1.2 標簽的等效電路模型

微帶天線等效為并聯電路[7]，在圖2中，閱讀器詢問信號在天線上感應出電流[IS，][ZC]為芯片輸入阻抗。

圖2 標簽等效電路模型

天線電路的導納為：

[Y=G+j[ωC-1/（ωL）]] （1）

則作用在芯片阻抗上的端電壓[U]為：

[U=IY=I1R+j[ωC-1（ωL）]] （2）

當[ωC=1（ωL），]即發生并聯諧振時， 諧振頻率為：

[f0=12πLC] （3）

此時[U]獲得最大值[U0。]天線電路的通頻帶分布圖如圖3所示，天線電路的帶寬為：

[BW=f2-f1] （4）

表示天線的頻率選擇性，即在此頻率范圍內的信號將有可能激活芯片，我國規定的UHF RFID在806～960 MHz的天線端口發射雜射限值要求為-52 dBm。

圖3 天線電路的通頻帶分布圖

1.3 我國UHF頻段內移動通信與RFID的頻段劃分

我國UHF頻段內移動通信與RFID的頻段劃分見表1。

表1 我國UHF移動通信與RFID頻段劃分 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 移動通信終端對RFID標簽的干擾

從表1看出，CDMA800上行頻段與RFID的840～845 MHz頻段、GSM上行下行頻段與RFID的920～925 MHz頻段相距5 MHz，很容易產生交調干擾與互調干擾[8]，如果UHF RFID標簽天線的頻率選擇性能不理想，移動通信終端發射的電磁波頻率在標簽天線的諧振帶寬內，也會被標簽天線感應而激活芯片，移動通信終端發射的電磁波被耦合到標簽芯片中，由于此種電磁波所攜帶信息是隨機的，編碼方式也與UHF RFID系統信號不相同，導致標簽芯片的輸入端信躁比降低，RFID標簽的解調誤碼率增加[6]。

2 抗移動通信終端干擾的設計方法

為了分析方便，將表1的我國UHF RFID頻段與移動通信UHF頻段的范圍，繪制成UHF頻段頻率分類圖，如圖4所示。

圖4 我國UHF頻段分類圖

設RFID頻段寬度為[frfid，]CDMA、GSM的UHF頻段離RFID頻段最近的距離為[fmin，]從圖3可知，要消除移動通信頻帶對標簽工作的影響，天線的通頻帶不能涵蓋移動通信的頻段部分，所以天線的最大帶寬為：

[BW=frfid+2fmin] （5）

由于：

[BW=VSWR-1QTVSWR] （6）

天線總的品質因素[QT]可表示為：

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

式中[Qr，][Qd，][Qc]分別為輻射、介質和導體損耗[Q]值。由于實際的[Qd]和[Qc]遠大于[Qr，]文獻[9]給出[QT]的近似計算式：

[QT?Qr=cεre4frh] （7）

式中：c為光速，[εre]有效介電常數；[fr]為諧振頻率；[h]介質基板厚度。由式（5）～（7）可求得：

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

合理選取[εr]值、損耗正切[tanδ]值，按式（8）計算[h]值，完成介質基板材料的選取，RFID標簽天線的帶寬不會涵蓋CDMA、GSM的頻段，即移動通信系統發射的電磁波在天線上的回波損耗[S11>]-10 dB，不致觸發芯片工作，天線具備了良好的抗移動通信終端干擾的性能。

3 在UHF RFID標簽天線設計中應用

機關、企事業單位的IT設備，通常位于辦公室和實驗室，這些場所工作人員、學生幾乎人手一部手機，且多在IT設備附近從事工作和學習，對IT設備資產進行管理的RFID標簽可能會受到手機發射信號的干擾而導致工作不正常。現利用前面提出的抗移動通信終端干擾的設計方法，對RFID標簽天線進行設計，提高天線的頻率選擇性能，消除移動通信終端干擾的影響。

3.1 標簽天線設計過程

RFID標簽天線采用同軸饋電微帶天線結構，基本結構包括三個部分：輻射貼片、介質基片、同軸饋線，如圖5所示。其中，介質基片作為反射面，輻射貼片是與參考地平面平行的金屬片，饋線用于信號傳輸，通過合理設置同軸饋電點位置實現雙頻。設計指標為：

（1） 工作中心頻率為842.5 MHz和922.5 MHz；

（2） 標簽天線的抗干擾性能：本系統反射系數[S11≤-20 dB（VSWR≤2.0），]異系統反射系數[S11≥-10 dB（VSWR≤2.0）]；

（3） 最大增益[Gant≥]6 dB。

為了降低移動通信終端的影響，諧振頻率要盡量離CDMA、GSM頻段遠些。在設計時，定義922.5 MHz為第1諧振頻率，842.5 MHz為第2諧振頻率，從圖4可得出，[frfid=]5 MHz，[fmin=]5 MHz。初始參數計算時參考諧振頻率[fr]取922.5 MHz，考慮應用場合對天線安裝面積或體積重量沒有特別的限制，但對天線的增益要求較高，故取[εr=2.45，][tanδ]=0.001 8的PTFE基板材料，取[VSWR=2，]將數據代入式（8）計算，得：

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

圖5 標簽天線結構

標簽天線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）

介質板長度：

[Lg=L+0.2λg] （14）

介質板寬度：

[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]為輻射貼片寬度；式（13）中[L]為輻射貼片長度，式（16）中[L1]為同軸饋電點到[x]軸距離；式（17）中[W1]為同軸饋電點到[y]軸距離。

經計算和應用HFSS軟件優化，最終天線的尺寸見表2。

3.2 標簽天線抗干擾性能分析

使用HFSS 13.0軟件進行建模，運行仿真分析，標簽天線的回波損耗曲線如圖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。

從圖6可知，移動通信各頻段的回波損耗[S11]值見表3，均大于-10 dB。

表2 天線設計變量與數值

[參數名稱＼&變量名稱＼&仿真初值 /mm＼&介質基板厚度＼&[H]＼&2.7＼&輻射貼片長度＼&[L]＼&100.5＼&輻射貼片寬度＼&[W]＼&111.0＼&同軸饋線半徑＼&[Rfeed]＼&0.6＼&同軸饋電點到[x]軸距離＼&[L1]＼&16.0＼&同軸饋電點到[y]軸距離＼&[W1]＼&16.0＼&]

圖6 [S11]分析結果

表3 移動通信頻段[S11]值

[頻段 /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的頻率范圍如圖7所示，840～845 MHz頻段為838.6～845.9 MHz，920～925 MHz頻段為919.7～928.8 MHz，涵蓋了我國UHF RFID的全部頻段。

圖7 [S11≤-10]dB涵蓋的頻率范圍

標簽天線的電壓駐波比VSWR如圖8所示，各頻段的VSWR范圍見表4，RFID頻段的VSWR值均小于2，移動通信頻段的VSWR值均大于2。

三維增益方向圖如圖9所示，從圖中可以看出天線的最大輻射方向是微帶貼片的法向方向，最大增益值為7.28 dB，增益性能良好。

表4 各頻段VSWR值范圍

[頻段 /MHz＼&VSWR值＼&825～835＼&3.51

圖8 電壓駐波比VSWR分析結果

圖9 三維增益方向圖

4 結 論

經在UHF RFID標簽天線設計中仿真驗證，使用本文提出的抗移動通信終端干擾的UHF RFID標簽天線設計方法設計的標簽天線，抗移動通信終端干擾性能良好，并且有高增益性能。本方法具備較大的工程應用價值。

參考文獻

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[10] 李明洋，劉敏，楊放.HFSS天線設計[M].北京：電子工業出版社，2013.

[11] 邵建興，蔣澤.一種新型雙頻微帶天線的分析與設計[J].重慶郵電大學學報：自然科學版，2008，20（6）：682?685.

[12] 張鈞，劉克誠，張賢鐸，等.微帶天線理論與工程[M].北京：國防工業出版社，1988.

圖6 [S11]分析結果

表3 移動通信頻段[S11]值

[頻段 /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的頻率范圍如圖7所示，840～845 MHz頻段為838.6～845.9 MHz，920～925 MHz頻段為919.7～928.8 MHz，涵蓋了我國UHF RFID的全部頻段。

圖7 [S11≤-10]dB涵蓋的頻率范圍

標簽天線的電壓駐波比VSWR如圖8所示，各頻段的VSWR范圍見表4，RFID頻段的VSWR值均小于2，移動通信頻段的VSWR值均大于2。

三維增益方向圖如圖9所示，從圖中可以看出天線的最大輻射方向是微帶貼片的法向方向，最大增益值為7.28 dB，增益性能良好。

表4 各頻段VSWR值范圍

[頻段 /MHz＼&VSWR值＼&825～835＼&3.51

圖8 電壓駐波比VSWR分析結果

圖9 三維增益方向圖

4 結 論

經在UHF RFID標簽天線設計中仿真驗證，使用本文提出的抗移動通信終端干擾的UHF RFID標簽天線設計方法設計的標簽天線，抗移動通信終端干擾性能良好，并且有高增益性能。本方法具備較大的工程應用價值。

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圖6 [S11]分析結果

表3 移動通信頻段[S11]值

[頻段 /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的頻率范圍如圖7所示，840～845 MHz頻段為838.6～845.9 MHz，920～925 MHz頻段為919.7～928.8 MHz，涵蓋了我國UHF RFID的全部頻段。

圖7 [S11≤-10]dB涵蓋的頻率范圍

標簽天線的電壓駐波比VSWR如圖8所示，各頻段的VSWR范圍見表4，RFID頻段的VSWR值均小于2，移動通信頻段的VSWR值均大于2。

三維增益方向圖如圖9所示，從圖中可以看出天線的最大輻射方向是微帶貼片的法向方向，最大增益值為7.28 dB，增益性能良好。

表4 各頻段VSWR值范圍

[頻段 /MHz＼&VSWR值＼&825～835＼&3.51

圖8 電壓駐波比VSWR分析結果

圖9 三維增益方向圖

4 結 論

經在UHF RFID標簽天線設計中仿真驗證，使用本文提出的抗移動通信終端干擾的UHF RFID標簽天線設計方法設計的標簽天線，抗移動通信終端干擾性能良好，并且有高增益性能。本方法具備較大的工程應用價值。

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