胡林亚， 邹传云， 张刚建

（西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010）

0 引言

射频识别(RFID)是一种基于无线通信的自动识别技术，简单的来讲就是可以不通过物体间接触，通过线圈的耦合或者雷达的原理，来自动识别的电子标签所携带的信息。RFID系统中的标签根据它自身是否能供电可以分为有源或无源电子标签，有源电子标签由于它本身能够供电，识别距离大概是普通无源标签的5～10倍[1]。随着技术的进步和需求指标的不断提高，有源远距离的电子标签越来越受到人们的关注。文中设计的433 MHz有源电子标签为可读写型电子标签，阅读器不需要向电子标签供电，只需给到达自己辐射范围的电子标签一个激励信号，标签本身带有电池，感受到这个激励信号后电池开始工作，完成读写信息的交换。这样做大大可以降低电池的待机功耗，增加标签的使用年限。

1 标签电路的设计

1.1 芯片的选型

有源电子标签电路主要由控制电路、射频电路、天线、电池这4部分构成。其中控制电路和射频电路由于都需要供电耗能，所以在设计的时候要重点的考虑，这是因为标签自带电池的电量有限，如果想要增加使用时间必须要从芯片电路设计和待机这两部分考虑，所以芯片的选型至关重要，选择芯片时应尽量选外围电路简单，元器件少，体积小，耗能低的芯片。文中的设计中采用TI公司生产的CC1110，该芯片集成了控制部分和射频部分，同一块芯片可以完成控制和射频两部分功能，大大减小标签的体积和外围电路设计的复杂程度，从而可以实现降低电路的耗能，增加标签的使用寿命。

1.2 标签电路的设计

文中设计的有源电子标签的硬件结构框图如图1所示[2]。

图1 标签的原理

芯片CC1110集成了射频芯片CC1101和8051 MCU控制芯片，具有32 kByte的Flash和4 kByte的RAM，Flash存储器主要用于保存用户程序或重要的数据、信息等一些掉电后不能丢失的数据。只有通过对Flash的编程操作，才能将这些数据写入Flash存储器。这里设计时考虑到防止电池供电不足，通过芯片CC1110片内的模数转换模块对电池电压时时检测，当电池电压低于2.2 V时，进行声光报警[3]。

J1是芯片程序烧录口，通过它可以将外部编写的程序烧录到芯片上，从而可以使CC1110进行工作。CC1110芯片工作时，在接受和发射模式下，电流分别低于16.2 mA或16 mA，速率为2.4 kb/s。休眠模式电流仅为0.5 uA，待机模式仅为0.3 uA，CC1110的休眠模式和转到主动模式的超短时间的特性，可以满足标签增加寿命的要求。文中的设计采用的电池供电，综合标签的体积和供电消耗，设计采用CR2450型号的电池。

2 天线的设计

天线的设计成功与否直接影响标签本身读取性能好坏，标签设计重点考虑的地方。现在市面上该频率的产品大多用的都是弹簧天线和陶瓷天线，这样做不仅增加成本而且加大设计和调试的难度。文中运用天线半波长理论，采用等间隔外加衬底的结构实现天线在PCB板上直接印制，方便电路的连接和调试，降低标签设计的成本。天线谐振点可以通过改变天线结构进行调节，改变天线的间隔宽度可以调节谐振点，改变天线线宽的长度和宽度可以调节频率带宽等等。PCB板上设计天线由于它是直接放到基板上，所以设计时可以用ADS软件设定板材的参数，套用微带线的理论，用微带线计算工具完成天线宽度和长度的确定，到达理论上得正确性和可行性[4]。频率为433 MHz,波长大概为69 cm,天线的尺寸应满足半波长的整数倍。设计参数：板材FR4，介电常数为4.4，厚度为1.6 mm。天线参数：长63 mm，宽15.67 mm，线宽为1.1 mm，线的间隔为1.33 mm，间隙为2 mm。运用ADS软件进行天线的仿真设计，天线的形状如图2所示。

图2 天线的形状

2.1 天线仿真

参数S11的仿真结果如图3所示，m1点为f=430.9 MHz，db(s(1,1))=3.089；m3点为f=430.2 MHz，s(1,1)=0.410/178.364，impedance=Z0·(0.418+j·0.012)。

2.2 天线的匹配

由图3(c)可以算出贴片天线在433 MHz时的阻抗为20.9+j·0.6 Ω，要将它变换到阻抗变换到50 Ω，来实现与原理图中天线接口匹配，采用最简单的微带线匹配，运用ADS中的史密斯圆图工具进行匹配，结果如图4所示,其中响应的起止频率为0～2 GHz。

由图4看出需要加一条特性阻抗为32.5 Ω的微带线实现天线阻抗匹配到 50 Ω，利用 ADS中的LinCalc工具计算出微带线的长为 3.7 mm，宽为6.36 mm。根据匹配的结果最终完成PCB设计板图。

3 标签的测试

标签实际的大小类似于标准卡，长86 mm，宽54 mm,厚6.8 mm. 这样可以方便人员的佩戴，由于很薄可以贴在物体的背面，或者镶嵌到物体中。该标签被封装在模压塑料外壳里，能够抵抗恶劣的环境，可以应用在小型资产跟踪管理，如笔记本电脑，IT设备，车辆和其他传输媒介，非常适合在金属或高金属含量的塑料表面工作。根据应用条件作了如下测试，室外空旷环境下，阅读器高度1.2 m，标签用双面胶贴在电脑的背面，读取距离达到60 m，室内可达到35 m，读卡成功率达到97%。

4 结语

文中在理论计算的基础上，根据现在市场上的情况，设计出一种适于资产和人员管理的有源电子标签，该标签价格便宜，结构简单，耗电量低，采用贴片天线，并进行仿真和优化设计，利用ADS完成芯片接口和贴片天线的匹配设计，最后进行了实际的测试，满足了设计的要求，具有很强的市场推广性。目前该标签的主要缺点在于天线尺寸较大，外形不能做到很小。下一步的工作主要是进行不同环境下的应用，根据具体情况进行不同的调整，以扩大标签的应用范围。

[1] 廖应成,孙长征,王文峰,等.有源电子标签与物联网(上)[J].信息技术与标准化，2010(05):29-31.

[2] 李文仲,段朝玉.CC1110/CC2510无线单片机和无线自组织网络入门与实战[M].北京:北京航空航天大学出版社，2008:31-47.

[3] 王洋,王忠.基于CC2431的无线定位系统[J].通信技术，2009,42(09):190-192.

[4] 何苏勤,白天石.射频电路的ADS设计仿真与分析[J].微电子学,2011,41(04):479-483.