一種超高頻RFID工業(yè)洗衣標(biāo)簽設(shè)計(jì)

姜學(xué)康，陶 波，孫 虎

（華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430074）

0 引言

近年來，射頻識(shí)別技術(shù)的興起，給倉儲(chǔ)、物流和制造等行業(yè)帶來了前所未有的革新。RFID是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有防水防磁、工作壽命長、讀寫距離遠(yuǎn)、讀寫速度快和數(shù)據(jù)容量大等優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)典型的RFID系統(tǒng)應(yīng)該包括射頻標(biāo)簽（tag）和讀寫器（reader），射頻標(biāo)簽置于被標(biāo)識(shí)物上，通過空間耦合傳輸特性，與讀寫器通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的自動(dòng)識(shí)別［1］。目前，市面上針對(duì)印染行業(yè)、洗滌行業(yè)和醫(yī)療后勤等專業(yè)領(lǐng)域已有不少種類的RFID洗衣標(biāo)簽，服裝廠、工礦企業(yè)、賓館、酒店和醫(yī)院等的洗衣房使用工業(yè)洗衣機(jī)清洗大量員工制服，能夠減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，降低能耗。使用RFID技術(shù)對(duì)制服進(jìn)行標(biāo)識(shí)，能夠更好地進(jìn)行管理。

市面上現(xiàn)存的洗衣標(biāo)簽大多是高頻標(biāo)簽，工作頻率在13．56 MHz附近，但是高頻標(biāo)簽的實(shí)際讀寫距離在10 cm左右，大部分情況下仍需人工近距離讀寫，不能滿足現(xiàn)代企業(yè)自動(dòng)化管理的需求，而讀寫距離較遠(yuǎn)的超高頻（UHF）的標(biāo)簽用于工業(yè)洗衣將成為未來的趨勢。全球超高頻RFID工作頻率范圍是840～956 MHz。由此可見，設(shè)計(jì)出一款讀寫距離在1 m以上、工作頻帶較寬的洗衣標(biāo)簽天線，對(duì)于減少重復(fù)設(shè)計(jì)、降低成本是很有意義的。同時(shí)，工業(yè)洗衣機(jī)的原理是電機(jī)通過皮帶變速帶動(dòng)內(nèi)膽在時(shí)序控制器作用下正反旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)水和衣物作不同步運(yùn)動(dòng)，使水和衣物等相互摩擦、揉搓，達(dá)到洗凈的目的，因此，設(shè)計(jì)出來的洗衣標(biāo)簽，在考慮簡化結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還要有一定的抗彎折的性能。為此，在引用部分實(shí)際成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一款寬頻帶的洗衣標(biāo)簽，并驗(yàn)證其抗彎折的性能。

1 非對(duì)稱偶極子天線設(shè)計(jì)

1．1 天線設(shè)計(jì)

偶極子天線是一種自諧振天線，這里選擇半波偶極子天線作為標(biāo)簽天線，半波偶極子天線通常由2根長度相等的振子組成，每根導(dǎo)線的長度是四分之一個(gè)工作波長。

半波偶極子天線沒有副瓣產(chǎn)生，天線的方向性更好，更具有優(yōu)勢。按照公式計(jì)算，選用的超高頻設(shè)計(jì)方案中，標(biāo)簽的工作頻率約為915 MHz，半波偶極子天線的單個(gè)振子長度為：

單個(gè)振子長度約為81．9 mm，也就是說天線長度約為163 mm，這樣的偶極子天線長度太長，不能應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)中，需解決天線的小型化設(shè)計(jì)。偶極子天線通常采用彎折的方法來縮小尺寸。同時(shí)為了簡化制造工藝、降低成本，采用在天線上附加阻抗匹配結(jié)構(gòu)來代替外加電容電感，以進(jìn)行阻抗匹配，本標(biāo)簽采用的方法是T型阻抗匹配。在保證了讀寫距離滿足要求的情況下，將天線振子設(shè)計(jì)為反對(duì)稱型。提出的洗衣標(biāo)簽的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線與基板CAD設(shè)計(jì)

彎折振子之后天線總長度縮小了一倍多，同時(shí)保證有效電長度接近160 mm，并且非對(duì)稱的偶極子設(shè)計(jì)比起常規(guī)的對(duì)稱天線增益性能更好、回波損耗低、全向特性更好，并且有更大的工作帶寬［2］。在設(shè)計(jì)好天線后，將天線與芯片互連，在基板上形成Inlay，并用硅膠進(jìn)行良好的封裝。

1．2 天線性能關(guān)鍵參數(shù)

洗衣標(biāo)簽的設(shè)計(jì)有3個(gè)需求：讀寫距離遠(yuǎn)，有一定的抗彎折性能，并有較大的工作帶寬。對(duì)于超高頻標(biāo)簽，天線的增益和芯片的阻抗匹配是決定性能的重要參數(shù)，因此，對(duì)于帶寬的要求，主要針對(duì)標(biāo)簽在不同工作頻率下天線的增益和阻抗匹配參數(shù)進(jìn)行分析，而對(duì)讀寫距離和彎折性能的要求，也進(jìn)行理論分析和實(shí)物測試。

2 洗衣標(biāo)簽性能分析與仿真

2．1 讀寫距離分析

超高頻RFID標(biāo)簽的讀寫距離為：

R為讀寫器與標(biāo)簽的工作距離；λ為標(biāo)簽天線的工作波長，取330 mm；Pr為讀寫器發(fā)射功率；Gr為讀寫器天線的發(fā)射增益；p為標(biāo)簽天線與讀寫器天線的極化方式不同而產(chǎn)生的極化損失，只與天線的極化方式有關(guān)，取3 dBi；Gt為RFID標(biāo)簽天線的增益；τ為功率傳輸系數(shù)，本標(biāo)簽約為0．50；PtagTH為要使芯片啟動(dòng)工作的最小激活功率，H3取值為－18 d Bm。理論計(jì)算設(shè)計(jì)的洗衣標(biāo)簽在915 MHz的讀寫距離約為2．91 m。

2．2 彎折性能分析

由式（2）可知，標(biāo)簽天線的工作頻率一定，所以對(duì)應(yīng)的工作波長是一個(gè)定值；Pr，Gr，p根據(jù)讀寫器的選定而不會(huì)發(fā)生變化，認(rèn)為是定值；在芯片選型后，PtagTH也是一個(gè)定值。

RFID標(biāo)簽天線的增益為：

k為天線輻射效率；D為天線的方向性系數(shù)。天線的方向性系數(shù)本來就和標(biāo)簽角度有關(guān)，因此，標(biāo)簽在發(fā)生彎折情況下，天線的增益Gt肯定會(huì)改變。

功率傳輸系數(shù)為：

在標(biāo)簽彎折的條件下，標(biāo)簽天線的阻抗Zt會(huì)因?yàn)樘炀€基板變形而發(fā)生變化，而芯片的阻抗Za是保持不變的，所以在基板變形的情況下功率傳輸系數(shù)τ必然會(huì)發(fā)生變化。因此，對(duì)于洗衣環(huán)境下標(biāo)簽彎折的情況，會(huì)通過Gt和τ影響到洗衣標(biāo)簽的讀寫距離［3－4］。彎折后的讀寫距離為：

2．3 頻率仿真結(jié)果分析

洗衣標(biāo)簽的簡化仿真模型如圖2所示。

圖2 洗衣標(biāo)簽仿真模型

Alien H3芯片的等效電容為0．85 p F，等效電阻為1 500Ω，算出在915 MHz附近的芯片輸出阻抗約為27－200jΩ；標(biāo)簽仿真模型里上下兩層硅膠封裝層厚度為1．5 mm，介電常數(shù)取4．0；FPC基板層厚度為0．15 mm，介電常數(shù)取3．1；天線層為銅層，厚度為0．018 mm。仿真頻率范圍為800～1 200 MHz。

RFID天線的仿真，需要借助于仿真軟件Zeland IE3D，建立相關(guān)模型，來得到天線的相關(guān)參數(shù)。IE3D是應(yīng)用非常廣泛的矢量法的電磁仿真軟件，自第12版引入了共軛匹配等天線參數(shù)，對(duì)于超高頻RFID標(biāo)簽有很好的針對(duì)性，具有較高的計(jì)算精度，更適合平面天線設(shè)計(jì)。在IE3D中設(shè)置好仿真模型和參數(shù)后，得到的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 阻抗匹配系數(shù)與頻率關(guān)系曲線

阻抗匹配系數(shù)CMF是描述芯片和天線的阻抗匹配程度。由圖3看出，在860～1 100 MHz范圍內(nèi)CMF有2個(gè)峰值，且均在－3 dBi以上，表明芯片和天線能夠在這個(gè)范圍內(nèi)很好的匹配。

在IE3D中，以共軛匹配增益CMG表示天線與標(biāo)簽匹配之后的增益，共軛匹配增益與頻率關(guān)系曲線如圖4所示。915 MHz附近的共軛匹配增益為－1．7 d Bi，且CMG 在860～1 050 MHz范圍內(nèi)都在－1．8 dBi以上，滿足大帶寬的設(shè)計(jì)要求。

洗衣標(biāo)簽的方向圖如圖5所示，可見洗衣標(biāo)簽方向性較好，符合標(biāo)簽設(shè)計(jì)要求。

由仿真結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的洗衣標(biāo)簽?zāi)軌蛟诤艽蟮念l率范圍內(nèi)與芯片得到較好的阻抗匹配，性能優(yōu)異，能夠滿足前文提到的不同標(biāo)準(zhǔn)下超高頻RFID系統(tǒng)的要求，能得到較大的讀寫距離。為了實(shí)際驗(yàn)證仿真結(jié)果，將設(shè)計(jì)好的洗衣標(biāo)簽制作實(shí)物并進(jìn)行測試。

圖4 共軛匹配增益與頻率關(guān)系曲線

圖5 天線的二維方向圖

3 洗衣標(biāo)簽制作與測試

3．1 洗衣標(biāo)簽制作

洗衣標(biāo)簽選用的RFID芯片為Alien公司的Higgs－3。Alien H3的超高頻芯片非常靈敏，配合天線設(shè)計(jì)能夠在較低的功率提供足夠的反射信號(hào)，保證讀寫距離，且工作頻率在860～960 MHz之間，范圍較大。

標(biāo)簽基本選用FPC柔性基板，天線制作工藝選用電鍍銅質(zhì)天線。電鍍法比起刻蝕法，避免了大量金屬的浪費(fèi)，對(duì)環(huán)境也更加友好，同時(shí)采用沉金的表面處理工藝，更好地抑制銅天線的氧化性，保證電學(xué)性能。

芯片封裝采用引線鍵合工藝，并用電子灌封膠進(jìn)行密封和保護(hù)。

Inlay封裝采用硅膠復(fù)合封裝，硅膠的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)洗衣環(huán)境中洗衣液體有很好的耐腐蝕性。好的封裝能夠保證設(shè)計(jì)出的洗衣標(biāo)簽適應(yīng)工業(yè)洗衣機(jī)比較惡劣的環(huán)境，提高標(biāo)簽性能［5］。

3．2 讀寫距離測試

根據(jù)設(shè)計(jì)的天線和工藝制作了標(biāo)簽樣品，為了測試洗衣標(biāo)簽的效果，將制作的標(biāo)簽分為5組，每組10個(gè)測量讀寫距離并取平均值，讀寫器選用手持式讀寫器Atid－570，EIRP為30 d Bm，天線為圓極化天線，測試環(huán)境為開闊的室外。結(jié)果如表1所示。

表1 洗衣標(biāo)簽讀寫距離測試結(jié)果

實(shí)際環(huán)境下考慮到損耗和環(huán)境因素影響，讀寫距離會(huì)有下降。測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的洗衣標(biāo)簽的讀寫距離，在較小功率的手持讀寫器下，保持在2 m左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了1 m的設(shè)計(jì)要求。

3．3 彎折性能測試

針對(duì)彎折情況可能對(duì)標(biāo)簽讀寫距離造成的影響，將上述設(shè)計(jì)好的標(biāo)簽試制了樣品并進(jìn)行彎折性能測試。測試結(jié)果如表2所示。

表2 洗衣標(biāo)簽彎折性能測試

圖6 標(biāo)簽彎折

其中，彎折角度β＝180°－α，如圖6所示。由測試結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的RFID洗衣標(biāo)簽天線的諧振頻率基本不隨彎折而改變，因此，工作帶寬也基本不變；讀寫距離性能在彎折小于90°時(shí)改變較小，在彎折角度大于90°時(shí)出現(xiàn)一個(gè)大的下降?？紤]到洗衣環(huán)境中標(biāo)簽不太可能出現(xiàn)大于90°的彎折，所以設(shè)計(jì)的洗衣標(biāo)簽是滿足要求的。

4 結(jié)束語

針對(duì)工業(yè)洗衣用途的標(biāo)簽，選取了超高頻方案，設(shè)計(jì)了一種小尺寸的非對(duì)稱偶極子的RFID天線，讀取距離遠(yuǎn)，帶寬較寬，能適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)下的超高頻RFID系統(tǒng)頻段，并且分析了在工業(yè)洗衣環(huán)境下標(biāo)簽彎折可能對(duì)性能帶來的影響，主要體現(xiàn)在通過天線增益和功率傳輸系數(shù)影響標(biāo)簽的讀寫距離。在天線的制作方法上選擇了可靠性較高的電鍍方案和WireBonding芯片封裝工藝，并進(jìn)行了硅膠外層的封裝。制成標(biāo)簽成品后，通過實(shí)驗(yàn)測試了其抗彎折的性能，在彎折小于90°的情況下標(biāo)簽性能基本不變，保證了設(shè)計(jì)出的洗衣標(biāo)簽?zāi)苓m應(yīng)洗衣工作環(huán)境。洗衣標(biāo)簽已經(jīng)成功交付一家RFID產(chǎn)品企業(yè)并投放市場，獲得成功的應(yīng)用。

［1］ Landt J．The history of RFID［J］．IEEE Potentials，2005，24（4）：8－11．

［2］ 王元坤，李玉權(quán)．線天線的寬頻帶技術(shù)［M］．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1995．

［3］ 周 祥，宋雪樺．標(biāo)簽天線彎曲對(duì)射頻識(shí)別系統(tǒng)性能影響的研究［J］．微波學(xué)報(bào)，2005，21（S1）：96－100．

［4］ Xu L，Hu B J，Wang J．UHF RFID tag antenna with broadband characteristic［J］．Electronics Letters，2008，44（2）：79－80．

［5］ 陳苑明．物聯(lián)網(wǎng)RFID標(biāo)簽天線制作技術(shù)與工藝研究［D］．成都：電子科技大學(xué)，2011．