新型柔性無芯片射頻標簽的研究制作

孫寶海,李大全,秦 麗,張會新*

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.電子測試技術(shù)重點實驗室,太原 030051;3.北京宇航系統(tǒng)研究所,北京 100076)

新型柔性無芯片射頻標簽的研究制作

孫寶海1,2,李大全3,秦 麗1,2,張會新1,2*

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.電子測試技術(shù)重點實驗室,太原 030051;3.北京宇航系統(tǒng)研究所,北京 100076)

目前應(yīng)用的射頻標簽均為硬質(zhì)PCB板,存在芯片水洗后易脫落、彎折易斷裂的缺點,應(yīng)用受到很大限制。針對以上缺點,提出柔性射頻標簽的概念,該標簽由導(dǎo)電紗線經(jīng)特定工藝制成,制作出不同的射頻標簽,然后對柔性無芯片射頻標簽傳輸線和天線的傳輸特性等進行測定,并討論最佳工藝結(jié)構(gòu)。制作出的柔性無芯片射頻標簽,既保留傳統(tǒng)射頻標簽的功能,又可承受一定的彎曲和水洗,而其功能結(jié)構(gòu)不受影響。

柔性射頻標簽;無芯片射頻技術(shù);天線;傳輸線

射頻識別技術(shù)RFID(Radio Frequency Identification),該技術(shù)是以無線的射頻方式,利用射頻信號通過空間耦合進行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù),以達到自動識別的目的。射頻識別系統(tǒng)具有壽命長、標簽數(shù)據(jù)可加密、存儲信息量大、可以在惡劣的環(huán)境下工作等優(yōu)點,且它的編碼能力和識別能力均高于條形碼技術(shù)。柔性無芯片射頻標簽既保留射頻標簽的特點,且體積小,更加方便快捷的應(yīng)用于物品的跟蹤與定位。

1 相關(guān)射頻技術(shù)原理

射頻識別系統(tǒng)由射頻標簽、閱讀器和數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)3個部分組成,本文主要研究的是柔性無芯片射頻識別標簽的研制,系統(tǒng)組成如圖1所示。

系統(tǒng)中,射頻標簽用于存儲數(shù)據(jù)編碼信息,可以執(zhí)行對數(shù)據(jù)的收集與存儲。射頻標簽由傳輸線與單極天線組成,本文分別對傳輸線和天線的制作和性能進行分析,組成圖如圖2所示。

圖1 射頻系統(tǒng)組成圖

圖2 無芯片射頻標簽組成示意圖

2 射頻標簽傳輸線的制作與分析

應(yīng)用導(dǎo)電紗線(材質(zhì)為銀)制作信號傳輸線,而紗線與電流傳輸方向夾角和紗線之間的間距都會對傳輸線的直流電阻和傳輸性能產(chǎn)生很大影響,故測試不同夾角和間距的相關(guān)特性,并進行分析。

2.1 傳輸線的制作

(1)

2.2 傳輸線直流電阻的測試與分析

2.2.1 紗線與電流傳輸方向夾角對直流電阻的影響

傳輸線的紗線與電流傳輸方向夾角不同,會使直流電阻有很大差異,根據(jù)相關(guān)知識,制作6種典型結(jié)構(gòu),放大十倍其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 不同結(jié)構(gòu)傳輸線實物圖

應(yīng)用萬用表,以多次測量取平均值的方法,測得的直流電阻與標注電阻作比較,繪制成圖4,如圖4所示,兩者差值越大,表示直流電阻的離散性越大。

圖4 直流電阻與標注電阻對比

從圖4可以看出,1#直流電阻最小,離散型最好,由圖3可知,1#為傳輸線與電流方向平行,故選擇此方式作為傳輸線的傳輸方向。

2.2.2 傳輸線間距對直流電阻的影響

應(yīng)用萬用表對不同傳輸線間距的樣品做直流電阻測定,分析結(jié)果如圖5所示,發(fā)現(xiàn):當間距在0.5 mm以下變動時,傳輸線電阻值的變化較明顯,與間距呈直線增長;當間距在0.5 mm和1.5 mm間變動時,電阻值呈階梯形上升;當間距大于1.5 mm時,傳輸線寬度內(nèi)的導(dǎo)電紗線均為3根,電阻值在4.8 Ω幾乎不變。

如圖5所示,根據(jù)阻值大小可分為0.5 mm～0.7 mm、0.8 mm～1.4 mm和1.5 mm以上3個范圍,在這3個范圍內(nèi)對傳輸線密度,即傳輸線根數(shù)進行統(tǒng)計,如表1所示。

綜上所述,對導(dǎo)電紗線和直流電阻進行擬合,設(shè)導(dǎo)電紗線根數(shù)為X,直流電阻為Y,得到兩者之間關(guān)系如下關(guān)系y=13.997 6x^(-0.986 9),其中偏差為0.998 3,擬合曲線如圖6所示得出,在直流電阻測試中,傳輸線可視為導(dǎo)電紗線并聯(lián)而成。

圖5 不同間距樣品的直流電阻

表1 紗線間距與根數(shù)關(guān)系

圖6 擬合曲線

2.3 傳輸線傳輸性能的測試與分析

因為射頻器件多工作在900 MHz和2.45 GHz的環(huán)境下,故采用NA7300矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀掃描傳輸線在300 kHz～3 GHz下的傳輸性能。

2.3.1 不同夾角對傳輸性能的影響

同樣采用多次測量取平均值的方式,使用NA7300矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對傳輸線傳輸性能進行測定,繪制出不同夾角傳輸線的指數(shù)參數(shù)S21曲線,如圖7所示,可以看出不同夾角的傳輸線波動大致相同,但是絕對值差別很大:在低于700 MHz時,傳輸性能波動很大,有明顯的雙波谷;在高于700 MHz時,S21曲線波動較為平緩。

圖7 不同夾角傳輸線性能分析

2.3.2 不同間距對傳輸性能的影響

測試不同間距傳輸性能,得到傳輸參數(shù)S21曲線,如圖8所示,可以看出掃描頻率低于700 MHz時傳輸性能波動比較大;在700 MHz～1 500 MHz時,傳輸曲線較為平穩(wěn),波動大致相同;當高于1 500 MHz時,有明顯的下降,說明信號耗損嚴重。

圖8 不同間距傳輸線性能分析

2.4 結(jié)論

分析表明,當導(dǎo)電紗線方向與電流傳輸方向相同時,傳輸線的直流電阻最小,傳輸性能最好,反射性能較明顯;當導(dǎo)電紗線方向與電流傳輸方向有一定角度時,傳輸線的直流電阻較小;當導(dǎo)電紗線方向與電流傳輸方向垂直時,傳輸線的直流電阻大,傳輸性能較差。當導(dǎo)電紗線方向與電流傳輸方向不平行時,傳輸線的傳輸性能和反射性能均不如平行時,并且傳輸曲線和反射曲線中,試樣間相互的區(qū)別并不明顯。

間距可以控制導(dǎo)電紗線的密度。當設(shè)置的間距較小、在0.3 mm以下時,導(dǎo)電紗線密度較大,傳輸線的直流電阻較小,反射性能較好,但與其他情況下的差異性較大,然而傳輸性能沒有明顯的變化。當間距大于0.3 mm時,隨間距的增大,繡傳輸線的直流電阻梯形增大,傳輸性能沒有明顯變化,反射曲線的規(guī)律性明顯,這表明當間距大于某一值后,間距對傳輸線的傳輸和反射性能的影響降低。

圖9 天線幾何結(jié)構(gòu)示意圖

3 射頻標簽天線的制作與分析

3.1 傳輸天線的制作分析

天線作為信號接收與發(fā)送的重要部件,是將導(dǎo)電紗線按照幾何設(shè)計,制作在純棉絕緣基材而成。相關(guān)天線設(shè)計研究表明,要根據(jù)天線大小進行匹配,其幾何結(jié)構(gòu)與參數(shù)如圖9所示,圓形天線的設(shè)計可以更好地保證其輻射性能,適用于本文的柔性無芯片射頻標簽設(shè)計。查閱相關(guān)資料,天線的饋線長度為21 mm,反面接地層的高度為20 mm,相差為1 mm時,可以更好地匹配。

3.2 不同長度對天線傳輸性能的影響

將不同長度下的天線反射系數(shù)進行處理與比較,如圖10所示,可以直觀的看出,不同長度的天線無論是工作頻率還是波動趨勢差別都很大。

圖10 天線性能分析

從圖10可看出,當長度較小時,如48#為0.5 mm和49#為0.6 mm,天線的反射曲線工作頻率差異較大,反射曲線波谷點較小;當長度為0.7 mm和0.8 mm時,天線的反射曲線波谷清晰,工作頻率明顯,反射性能較好;當長度為0.9 mm時,天線的反射曲線波谷點增大,天線反射性能變差;當長度為1 mm及以上,并逐漸增大時,天線的反射曲線波谷點逐漸變小,反射性能逐漸變差,工作頻率大致先稍有增大再減小,最后變得不清晰,尤其是當長度過大,在9 mm～10 mm時,天線的反射曲線波谷很大,工作頻率不明顯,反射性能差,不能滿足天線的工作條件。

3.3 結(jié)論

本節(jié)根據(jù)相關(guān)天線制作問題,對不同長度對天線

的影響做出了測試與分析,得出最佳長度,使天線有良好的反射性能。當長度小于0.7 mm時,天線反射性能差,工作頻率不明顯;當為大于0.9 mm時,信號側(cè)漏,不符合工作要求;只有在0.7 mm～0.9 mm之間時,才會有著良好的反射性能。

4 總結(jié)

本論文通過對無芯片射頻標簽的天線和傳輸線在不同條件下進行測定與分析,研究不同條件下對傳輸線和天線的影響,通過分析相關(guān)結(jié)果,選出最佳結(jié)構(gòu),最終制作出新型柔性無芯片射頻標簽。

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Research and Manufacture of a New Flexible Non Chip RF Tag

SUNBaohai1,2,LIDaquan3,QINLi1,2,ZHANGHuixin1,2*

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China; 2.Education Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,Taiyuan 030051,China;3.Beijing Institute of Astronautics System Engineering,Beijing 100076,China)

At present,the application of RF tags are hard PCB board,the chips are easy to fall off,easy to bend and easy to break in washing process,the shortcomings are limited in the application. In order to solve these problems,the concept of flexible radio frequency tag is put forward to make different RF tags,then the transmission characteristics of the transmission line and antenna are measured,and the optimum technological structure is discussed. The flexible chip-free RF tag not only retains the function of the traditional RFID tag,but also withstands a certain bending and washing,and its functional structure is not affected.

Flexible RFID tag;Chip free RF Technology;antenna;transmission line

2016-08-11 修改日期:2016-09-26

C:6400;1070E;2210D

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.011

TP274

A

1005-9490(2017)02-0317-04