UHF無(wú)源RFID小型化寬頻帶布草洗滌標(biāo)簽設(shè)計(jì)

楊躍勝　武岳山

【摘? 要】依據(jù)電感耦合饋電結(jié)構(gòu)寬頻帶天線理論，分別設(shè)計(jì)洗滌標(biāo)簽輻射天線和耦合環(huán)天線，仿真結(jié)果表明，標(biāo)簽具有寬頻帶、高靈敏度、天線阻抗易調(diào)節(jié)優(yōu)點(diǎn)。標(biāo)簽采用布草作為輻射天線基底，印刷電路板實(shí)現(xiàn)雙層饋電環(huán)，芯片綁定到饋電環(huán)后膠封實(shí)現(xiàn)片芯，實(shí)際加工洗滌標(biāo)簽樣品并進(jìn)行小批量生產(chǎn)，標(biāo)簽滿足小型化、可批量生產(chǎn)要求，具有良好的一致性，可通過(guò)300次嚴(yán)苛的洗滌環(huán)境測(cè)試，性能超越市面現(xiàn)有洗滌標(biāo)簽。

【關(guān)鍵詞】RFID;布草;洗滌標(biāo)簽;UHF;小型化;寬頻帶

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.017? ? ? ? 中圖分類(lèi)號(hào)：TN99

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2019）09-0092-05

引用格式：楊躍勝，武岳山. UHF無(wú)源RFID小型化寬頻帶布草洗滌標(biāo)簽設(shè)計(jì)[J]. 移動(dòng)通信， 2019，43（9）： 92-96.

Design of Miniaturized Broadband Linen Washing Label Based on Passive UHF RFID

YANG Yuesheng， WU Yueshan

[Abstract]?According to the broadband antenna theory of inductively coupled feed structure， the washing label radiation antenna and coupling ring antenna are respectively designed. The simulation results show that the label has the advantages of broad frequency band， high sensitivity and easy adjustment of antenna impedance. The label antenna is sewed to the linen. The feed ring is corroded to the double layer printed circuit board （PCB）. The chip is bonded to the feed ring and covered with glue. The washing label sample is actually processed and produced in a small batch. The label meets the requirements of miniaturized and massive production. It has good consistency and can be tested through 300 strict washing conditions. The performance ouperforms the existing washing label on the market.

[Key words]RFID; linen; washing label; UHF; miniaturization; broadband

1? ?引言

多年來(lái)，射頻識(shí)別（RFID， Radio Frequency Identification）技術(shù)在交通、物流和資產(chǎn)管理等方面取得了長(zhǎng)足發(fā)展，隨著該技術(shù)與其他領(lǐng)域技術(shù)的融合與創(chuàng)新應(yīng)用，RFID技術(shù)進(jìn)入人們生活的方方面面，尤其在布草管理方面逐漸得到使用和穩(wěn)定發(fā)展。RFID技術(shù)應(yīng)用于布草洗滌管理，對(duì)布草的全流程生命周期進(jìn)行監(jiān)控，準(zhǔn)確了解布草質(zhì)量，監(jiān)控布草清洗流程，為布草洗滌方（洗滌公司）、布草使用方（酒店、醫(yī)院、鐵路公司等）、布草生產(chǎn)方（布草生產(chǎn)公司）提供準(zhǔn)確的、可追溯的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)智能布草。

智能布草是將基于RFID技術(shù)的電子標(biāo)簽縫制到布草上實(shí)現(xiàn)管理。布草標(biāo)簽不同于普通的電子標(biāo)簽，由于需要經(jīng)過(guò)生命周期中的數(shù)百次高溫洗滌、高溫烘烤熨燙、高壓和高堿性環(huán)境，而且標(biāo)簽不能影響布草使用的舒適性，因此布草標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)形式有其特殊性。市面上現(xiàn)有洗滌標(biāo)簽通常為尼龍網(wǎng)布基材標(biāo)簽和硅膠基材標(biāo)簽，尼龍網(wǎng)布基材標(biāo)簽通常為85 mm以上，面積較大，縫制到布草邊緣受限制，影響美觀舒適性;硅膠基材標(biāo)簽通常為60 mm左右，柔軟舒適，但耐受洗滌能力較弱，通常150次以?xún)?nèi)已起包磨損開(kāi)膠。文獻(xiàn)[1]提出用于服裝管理的標(biāo)簽，雖然物流管理有所保障，但柔軟舒適性不足，耐受洗滌能力有限;文獻(xiàn)[2]提出標(biāo)簽天線采用T型匹配天線結(jié)構(gòu)，織物表面噴涂天線，但洗滌后標(biāo)簽無(wú)法讀取;文獻(xiàn)[3]研究耐水洗型UHF RFID標(biāo)簽時(shí)，在芯片處涂抹保護(hù)層，但受單層布料結(jié)構(gòu)影響，涂層在洗滌中嚴(yán)重破壞，無(wú)法起到保護(hù)芯片作用;文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]中采用銀漿油墨進(jìn)行絲網(wǎng)印刷天線，后者在布草表面涂抹聚酯樹(shù)脂固定天線，但洗滌7次后性能均下降明顯，無(wú)法滿足洗滌次數(shù)要求。本文重點(diǎn)對(duì)布草洗滌標(biāo)簽基材和天線設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和研究，滿足布草洗滌環(huán)境需求。

2? ?標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理

布草洗滌過(guò)程中需要多次的沖刷和揉搓，同時(shí)要保證標(biāo)簽性能穩(wěn)定，因此，布草洗滌標(biāo)簽天線采用電感耦合方式，饋電小環(huán)天線和輻射天線無(wú)電連接，標(biāo)簽易于實(shí)現(xiàn)寬頻帶特性。

電感耦合饋電天線結(jié)構(gòu)的一般形式如圖1所示：

該天線包括一個(gè)獨(dú)立的輻射主體和一個(gè)饋電環(huán)，天線輻射體采用一段金屬線或者具有一定寬度的輻射貼片，其具體形式多種多樣，芯片焊接到饋電環(huán)上。饋電環(huán)和輻射體之間的耦合強(qiáng)度主要受兩個(gè)因素影響：其一，天線輻射體和矩形饋電環(huán)之間的間隙d，間隙越小，耦合強(qiáng)度越強(qiáng)，反之成立;其二，饋電環(huán)的尺寸大小亦影響兩者之間的耦合強(qiáng)度，耦合強(qiáng)度的大小對(duì)天線性能的影響可以由天線的輸入阻抗來(lái)反映和分析。

圖2為電感耦合饋電標(biāo)簽天線等效電路模型[6]：

從文獻(xiàn)[6]可知，當(dāng)天線工作在諧振頻率f0時(shí)，即f=f0，天線饋電口處輸入阻抗為：

Z_in=R_in+jX_in=（2πfm）²/R_r+j2πfL_loop（1）

式中M表示天線輻射體和饋電環(huán)之間的互感，表征兩者之間的耦合強(qiáng)度;L_loop表示饋電環(huán)本身的電感值;R_r表示天線的諧振頻率附近的輻射電阻。

從天線饋電口輸入阻抗表達(dá)式知：天線輸入阻抗的實(shí)部受到天線輻射體與饋電環(huán)之間的耦合系數(shù)及天線輻射體自身的輻射電阻控制，而天線輸入阻抗虛部則取決于饋電環(huán)本身電感值的大小，因此，天線輸入阻抗的實(shí)部和虛部獨(dú)立可控。選擇尺寸適當(dāng)?shù)酿侂姯h(huán)，抵消芯片阻抗的虛部，然后調(diào)節(jié)饋電環(huán)與天線輻射體之間的間隙或者改變輻射體的尺寸，獲得合適的實(shí)部，最終實(shí)現(xiàn)天線與芯片阻抗共軛匹配[7]。為了節(jié)省天線的尺寸，通常采用彎折線設(shè)計(jì)輻射體，與電感饋電結(jié)構(gòu)標(biāo)簽天線一般形式相比，引入彎折線之后，輻射體上的每個(gè)彎折處引入了電抗，影響天線的整體電抗值，設(shè)計(jì)時(shí)需靈活調(diào)節(jié)天線輻射體彎折處寬度，獲得適當(dāng)?shù)碾娍怪怠?/p>

3? ?天線尺寸仿真和結(jié)果

文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]針對(duì)理論進(jìn)行仿真，理論和仿真結(jié)果吻合?？紤]到洗滌標(biāo)簽應(yīng)用環(huán)境特殊性，保證標(biāo)簽性能前提下，標(biāo)簽越小越好。根據(jù)性能要求及市場(chǎng)前端反饋，標(biāo)簽大小為59 mm×15 mm，標(biāo)簽天線大小為55 mm×11 mm，芯片饋電環(huán)天線采用直徑為5 mm的PCB進(jìn)行設(shè)計(jì)，天線設(shè)計(jì)圖如圖3所示：

饋電環(huán)天線采用雙層PCB實(shí)現(xiàn)，頂層環(huán)最小，底層為雙環(huán)結(jié)構(gòu)增加電感值，頂層和底層環(huán)通過(guò)過(guò)孔進(jìn)行連接。為減小標(biāo)簽面積，輻射體采用彎折線實(shí)現(xiàn);為增加耦合效果，提升標(biāo)簽的帶寬，輻射體兩個(gè)端子中間為半圓環(huán)結(jié)構(gòu);PCB上的饋電環(huán)邦定芯片后膠封，放置到輻射體的開(kāi)口圓環(huán)內(nèi)部，通過(guò)調(diào)節(jié)輻射體圓環(huán)半徑，調(diào)節(jié)耦合系數(shù)，進(jìn)而調(diào)整天線帶寬。

由天線仿真可知：頂層饋電環(huán)天線的小環(huán)半徑越小，諧振頻率越高;底層饋電環(huán)天線的小環(huán)半徑增大，諧振頻率向低頻方向偏移，反之成立。輻射天線線寬設(shè)置為1 mm，饋電環(huán)天線線寬為0.3 mm，設(shè)置c1為饋電環(huán)頂層小環(huán)直徑，c2為饋電環(huán)底層內(nèi)小環(huán)直徑，c3為饋電環(huán)底層外小環(huán)直徑，優(yōu)化后，該天線仿真尺寸參數(shù)如表1所示：

圖4所示為天線回波損耗S11值，該標(biāo)簽天線帶寬較寬，860 MHz—960 MHz阻抗虛部變化較小，全頻段內(nèi)靈敏度優(yōu)于-22 dBm，諧振頻率為915 MHz左右，諧振深度為-34 dBm。仿真結(jié)果代表變化趨勢(shì)，實(shí)際應(yīng)用環(huán)境受多個(gè)因素影響，結(jié)果會(huì)發(fā)生微小變化。

4? ?實(shí)際天線樣品及測(cè)試

為適應(yīng)布草洗滌環(huán)境和減少標(biāo)簽對(duì)布草舒適度的影響，標(biāo)簽表面材質(zhì)選擇致密棉纖維布，將金屬絲束繞制的天線采用縫紉機(jī)工作模式設(shè)備按照表1尺寸縫制到30 mm寬度的棉纖維布上，天線只能覆蓋棉纖維布寬度的一半，便于后續(xù)折疊。在0.8 mm厚度5 mm直徑圓片PCB上加工饋電環(huán)天線，線寬均為0.3 mm，通過(guò)優(yōu)化，實(shí)際加工時(shí)饋電環(huán)頂層小環(huán)直徑為2.3 mm，底層內(nèi)環(huán)直徑尺寸為3.3 mm，底層外環(huán)直徑尺寸為4.3mm，將NXP Ucode7芯片綁定到饋電環(huán)后膠封，形成片芯。生產(chǎn)洗滌標(biāo)簽時(shí)，將片芯放置到輻射天線的開(kāi)口耦合環(huán)內(nèi)部即可，使用轉(zhuǎn)移膠將紡線布對(duì)折，標(biāo)簽天線和芯片包裹到雙層棉纖維布內(nèi)部，形成布草標(biāo)簽，布草洗滌標(biāo)簽圖片、標(biāo)簽天線和“片芯”如圖5所示：

使用Voyantic標(biāo)簽測(cè)試儀，在空氣中和T恤衫介質(zhì)中（模擬布草）進(jìn)行靈敏度掃描，圖6所示為該洗滌標(biāo)簽在空氣中、10件T恤衫中和20件T恤衫中進(jìn)行靈敏度掃描的結(jié)果。

從圖6可知，該標(biāo)簽在空氣介質(zhì)中，860 MHz—960 MHz全頻段靈敏度優(yōu)于-11.5 dBm，國(guó)內(nèi)應(yīng)用頻段920 MHz附近靈敏度為-11.5 dBm，空氣介質(zhì)中標(biāo)簽主要應(yīng)用在發(fā)卡時(shí)寫(xiě)入信息，通常為抵近寫(xiě)入，因此該標(biāo)簽空氣介質(zhì)中全頻段靈敏度性能優(yōu)異。標(biāo)簽應(yīng)用環(huán)節(jié)會(huì)放入使用的介質(zhì)中，這樣才能體現(xiàn)該標(biāo)簽天線的性能，為此分別將標(biāo)簽放置于10件（標(biāo)簽上下各5件T恤衫）和20件（標(biāo)簽上下各10件T恤衫）T恤衫介質(zhì)環(huán)境中，860 MHz到960 MHz全頻段靈敏度優(yōu)于-8 dBm，國(guó)內(nèi)應(yīng)用920 MHz附近靈敏度為-13.3 dBm，因此該標(biāo)簽在布草內(nèi)部滿足全頻段應(yīng)用，尤其針對(duì)歐頻、美頻和國(guó)內(nèi)920 MHz—925 MHz頻段時(shí)性能更加優(yōu)異。

該標(biāo)簽進(jìn)行小批量生產(chǎn)后，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)洗滌環(huán)境進(jìn)行模擬測(cè)試，每次循環(huán)將標(biāo)簽浸入80℃水中2小時(shí)、80℃環(huán)境模擬烘干半小時(shí)和190℃的模擬熨燙5秒鐘，標(biāo)簽在如此嚴(yán)格的測(cè)試條件下100次循環(huán)測(cè)試，性能穩(wěn)定，外觀無(wú)明顯形變。為確保PCB饋電環(huán)部分不分層，將該標(biāo)簽放入水中240小時(shí)，過(guò)程中間進(jìn)行50次100℃水沖擊，標(biāo)簽取出晾干后性能穩(wěn)定，膠封的PCB小環(huán)未發(fā)現(xiàn)異常，植入標(biāo)簽輻射天線環(huán)內(nèi)，標(biāo)簽性能正常。為確保大型洗滌廠進(jìn)行壓榨脫水環(huán)節(jié)（洗滌廠現(xiàn)有壓力值均低于40 bar）對(duì)芯片的損壞，實(shí)驗(yàn)室采用40 bar壓力對(duì)203枚標(biāo)簽進(jìn)行循環(huán)200次模擬壓榨脫水，測(cè)試完成后進(jìn)行多標(biāo)簽讀寫(xiě)測(cè)試，所有標(biāo)簽均正常讀寫(xiě)，“片芯”可承受模擬壓力測(cè)試。

為充分驗(yàn)證標(biāo)簽在洗滌廠的生命周期情況，使用200個(gè)樣品標(biāo)簽在洗滌廠進(jìn)行實(shí)際使用環(huán)境檢驗(yàn)，標(biāo)簽可滿足300次的嚴(yán)苛洗滌環(huán)境測(cè)試，性能穩(wěn)定，滿足布草應(yīng)用的生命周期需求。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

本文采用布草為標(biāo)簽基板，將金屬線束按照天線樣式縫制到布草上，實(shí)現(xiàn)洗滌標(biāo)簽天線，雙層PCB加工饋電環(huán)，芯片綁定后形成“片芯”，最終設(shè)計(jì)了一款可以經(jīng)受數(shù)百次的耐高溫耐高壓環(huán)境的小型化寬頻帶洗滌標(biāo)簽，通過(guò)空氣和布草介質(zhì)靈敏度檢驗(yàn)測(cè)試、批量生產(chǎn)和環(huán)境模擬測(cè)試、批量洗滌廠環(huán)境測(cè)試，與現(xiàn)有尺寸類(lèi)似洗滌標(biāo)簽相比，性能提升明顯，可以滿足全頻段應(yīng)用。

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