柔性可拉伸UHF RFID標(biāo)簽的實現(xiàn)

鐘 濤，金 寧，顧唯兵

(1.中國計量大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.中國科學(xué)院 蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，江蘇 蘇州 215000)

射頻識別[1](Radio Frequency Identification, RFID)技術(shù)，是一種無線通信技術(shù)，可以通過空間無線射頻信號自動識別特定的物體并對其讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)信息。作為RFID技術(shù)中最為重要的載體，UHF RFID標(biāo)簽由于其特有的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于交通、物流、防偽、零售、醫(yī)療等領(lǐng)域[2]。目前市場上的UHF RFID標(biāo)簽天線大多是通過蝕刻的方法制備的，該方法由于需要經(jīng)過曝光、顯影、蝕刻等多道工序使得生產(chǎn)效率較低，并且在其制備過程中產(chǎn)生大量的酸液和金屬廢液的排放對環(huán)境污染嚴(yán)重，不符合綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展理念。相對于傳統(tǒng)的蝕刻RFID標(biāo)簽而言，印刷RFID標(biāo)簽的制作[3]由于其具有低成本、高效率、綠色環(huán)保等優(yōu)點有望取代蝕刻RFID標(biāo)簽并逐漸走向上商業(yè)化。采用印刷法制作RFID標(biāo)簽還有一個最為顯著的優(yōu)點，即可以將RFID標(biāo)簽天線沉積到各種柔性基材上，比如說PET塑料、紙張、紡織面料等，從而更好地應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴電子領(lǐng)域[4]。

將無源UHF RFID標(biāo)簽結(jié)合到布料等柔性基材上首先要考慮的是RFID標(biāo)簽的拉伸性，國內(nèi)外許多專家已對可拉伸RFID標(biāo)簽進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了一定的研究成果。VIRKKI J[5]等研究了反復(fù)拉伸對鍍銀電子織物RFID標(biāo)簽和印刷RFID標(biāo)簽性能的影響。CHEN X C[6]等提出了一種由導(dǎo)電織物制成的無源UHF RFID應(yīng)變傳感器標(biāo)簽，測量了RFID電子標(biāo)簽在不同拉伸狀態(tài)下最大讀取距離以及標(biāo)簽后向散射強(qiáng)度對RFID標(biāo)簽天線伸長的響應(yīng)。CHEN X C[7]等還提出了一種由兩部分天線輻射體(饋電環(huán)路和輻射天線)組成的可拉伸無源UHF RFID織物標(biāo)簽，RFID標(biāo)簽天線采用鍍銀(銅)電子織物天線和刺繡天線兩種形式，并對其在反復(fù)拉伸100次后的標(biāo)簽性能進(jìn)行了測試。RIZWAN M[8]等提出了一種柔性3D打印UHF RFID標(biāo)簽，并測試了拉伸數(shù)次后RFID標(biāo)簽讀取距離的變化趨勢。以上是可拉伸RFID標(biāo)簽的相關(guān)研究，大多數(shù)文獻(xiàn)都是直接將鍍銅或鍍銀可拉伸電子織物剪成面狀RFID天線，然后將標(biāo)簽芯片綁定在銅片上，再用涂膠或者縫合的方式將銅片固定于面狀RFID電子織物天線的饋電口兩端以制成可拉伸RFID標(biāo)簽；然而很少有研究者采用印刷法直接在布料基底上印刷RFID標(biāo)簽天線以制成柔性可拉伸RFID標(biāo)簽。

基于以上背景，本文設(shè)計了一款基于半波偶極子天線的UHF RFID標(biāo)簽，并采用更為簡單環(huán)保的印刷法制作出了以萊卡布料為基材的柔性可拉伸RFID標(biāo)簽，標(biāo)簽在反復(fù)拉伸后的工作性能優(yōu)于國外文獻(xiàn)報道的結(jié)果。

1 RFID標(biāo)簽的選型

1.1 標(biāo)簽芯片輸入阻抗分析

RFID標(biāo)簽一般由標(biāo)簽芯片和標(biāo)簽天線組成，大多數(shù)天線設(shè)計中天線端口阻抗都以50 Ω或75 Ω來進(jìn)行端口阻抗匹配，而在UHF RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計中，標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片之間沒有傳輸線，兩者是直接相連的。由于標(biāo)簽芯片可以等效為輸入阻抗為電阻并聯(lián)電容的形式，其輸入阻抗一般為復(fù)阻抗。為了實現(xiàn)標(biāo)簽芯片與標(biāo)簽天線的最大功率傳輸，通常需要將RFID標(biāo)簽天線的輸入阻抗設(shè)計為標(biāo)簽芯片輸入阻抗的共軛值，即標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片阻抗共軛匹配。

目前市場上常用的RFID標(biāo)簽芯片為NXP UCODE G2 iL、Impinj Monza 4QT和Impinj Monza R6，但前兩款芯片的讀靈敏度小于Impinj Monza R6，而標(biāo)簽芯片的靈敏度將直接影響到RFID標(biāo)簽的讀取距離。為了實現(xiàn)更遠(yuǎn)的讀取距離，本文采用Impinj Monza R6芯片，其等效輸入電阻Rp為1 200 Ω，等效輸入電容Cp為1.23 pF，將由于粘合劑與天線寄生效應(yīng)產(chǎn)生的寄生電容考慮在內(nèi)，則總的負(fù)載電容為1.44 pF，下面對其輸入阻抗進(jìn)行分析。

輸入阻抗的仿真分析：

利用ADS進(jìn)行輸入阻抗分析的芯片等效電路如圖1，計算得到的芯片輸入阻抗隨工作頻率變化的曲線如圖2。

圖1 標(biāo)簽芯片等效電路圖Figure 1 Equivalent circuit diagram of the tag chip

圖2 標(biāo)簽芯片阻抗隨頻率變化曲線圖Figure 2 Impedance change curve with frequency of the tag chip

輸入阻抗的分析計算：

RFID標(biāo)簽芯片電路可以等效為電阻R與電容C的并聯(lián)，則在工作頻率為f的情況下，其端口復(fù)阻抗計算公式為

(1)

即

(2)

則RFID標(biāo)簽芯片阻抗的實部Zreal和虛部Zimag的計算公式為：

(3)

(4)

其中ω=2πf。

上述通過ADS仿真軟件計算得到的標(biāo)簽芯片在920 MHz的工作頻率下輸入阻抗為(11.908-j118.943) Ω，而利用公式計算得到的在該頻率下芯片阻抗為(11.92-j119.00) Ω，兩者比較接近。

1.2 RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計

影響RFID標(biāo)簽天線性能的主要因素有標(biāo)簽天線的尺寸結(jié)構(gòu)、材料特性和應(yīng)用環(huán)境等，本文設(shè)計的RFID標(biāo)簽天線僅考慮天線尺寸結(jié)構(gòu)對天線性能的影響。目前，常用的RFID標(biāo)簽天線的類型主要有微帶天線、縫隙天線、偶極子天線[9]等。由于彎折偶極子天線能有效減小標(biāo)簽天線的尺寸，并且能增加調(diào)整天線端口阻抗的靈活性，故其被廣泛用于RFID標(biāo)簽中。本文設(shè)計的RFID標(biāo)簽天線采用小環(huán)天線(匹配結(jié)構(gòu))和彎折偶極子天線組合形式，其結(jié)構(gòu)如圖3。小環(huán)天線可用于與標(biāo)簽芯片進(jìn)行阻抗匹配，偶極子天線能提升標(biāo)簽天線的增益和輻射效率。在標(biāo)簽天線端口處采用了常用的T型匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[10]，通過調(diào)節(jié)T型匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)(a和b)和線寬w，可以調(diào)節(jié)天線的諧振頻率和輸入阻抗，以滿足與標(biāo)簽芯片阻抗的共軛匹配的要求。偶極子標(biāo)簽天線采用左右對稱結(jié)構(gòu)，左右兩臂經(jīng)多次彎折加感，通過調(diào)節(jié)彎折線的長度h、彎折線之間的間距g和彎折次數(shù)能實現(xiàn)對標(biāo)簽天線輸入阻抗、工作頻率及帶寬的調(diào)節(jié)。在偶極子天線末端采用大面積金屬區(qū)域以實現(xiàn)末端加載，末端加載能改善偶極子標(biāo)簽天線的輸入阻抗特性、減小Q值拓展天線的帶寬，且能增加標(biāo)簽天線的雷達(dá)散射截面(RCS)，增加標(biāo)簽的有效讀取距離。UHF RFID標(biāo)簽天線的尺寸參數(shù)如表1。

圖3 UHF RFID標(biāo)簽天線尺寸結(jié)構(gòu)圖Figure 3 Structure diagram of UHF RFID tag antenna

表1 UHF RFID標(biāo)簽天線的尺寸參數(shù)表Table 1 UHF RFID tag antenna size parameter

1.3 RFID標(biāo)簽天線的HFSS仿真結(jié)果分析

用HFSS仿真的UHF RFID標(biāo)簽天線的輸入阻抗和回波損耗(S11參數(shù))如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知RFID標(biāo)簽天線在890 MHz附近與標(biāo)簽芯片匹配程度最佳，此時S11=-28.598 dB，標(biāo)簽天線的輸入阻抗為(12.38+j121.79) Ω，與標(biāo)簽芯片在890 MHz處的阻抗(12.72-j122.87) Ω共軛匹配。標(biāo)簽天線在全頻帶(860～960 MHz)范圍內(nèi)的回?fù)軗p耗S11<-10 dB，滿足標(biāo)簽天線的帶寬要求。

圖4 UHF RFID標(biāo)簽天線S11曲線圖Figure 4 Relationship between the parameter S11 of UHF RFID tag antenna and frequency

圖5 UHF RFID標(biāo)簽天線輸入阻抗曲線圖Figure 5 Relationship between the input impedance of UHF RFID tag antenna and frequency

2 柔性可拉伸RFID標(biāo)簽的制作及測試

柔性可拉伸RFID標(biāo)簽實物圖如圖6，其制作過程如下：

1)首先將設(shè)計好的UHF RFID標(biāo)簽天線圖形化并制成網(wǎng)版(網(wǎng)版參數(shù)：張力為28 N，膜厚為8 μm，目數(shù)為315目)；

2)然后采用可拉伸導(dǎo)電銀漿通過絲網(wǎng)印刷的方式將UHF RFID標(biāo)簽天線印刷在表面覆有彈性TPU膜的萊卡布料上，并將印制的RFID天線樣品置于烘箱中干燥固化(固化溫度為140 ℃，固化時間為15 min)；

3)接下來在干燥后RFID天線樣品的饋電口處點上各向異性導(dǎo)電膠(ACA)，再用RFID電子標(biāo)簽封裝機(jī)通過熱壓的方式綁定上RFID芯片(Impinj, Monza R6)，以制成RFID標(biāo)簽(熱壓參數(shù)：壓頭重量為20～50 g，熱壓溫度為175～185 ℃，熱壓時間為8～10 s)；

圖6 柔性可拉伸RFID標(biāo)簽實物圖Figure 6 Image of the flexible and stretchable RFID tag

4)最后在標(biāo)簽天線的匹配環(huán)上熱壓一層厚度為125 μm面積為15×8 mm2的PET，以保證UHF RFID標(biāo)簽的匹配環(huán)、芯片和天線的連接處在拉伸過程中不受外力影響而產(chǎn)生不必要的形變。

制作完后采用UHF RFID標(biāo)簽性能測試系統(tǒng)(Voyantic，F(xiàn)inland)對反復(fù)拉伸(拉伸20%)后RFID標(biāo)簽性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖7和圖8。由圖可知UHF RFID標(biāo)簽在890 MHz附近的靈敏度最高，與前文標(biāo)簽天線的仿真結(jié)果一致，初始狀態(tài)的RFID標(biāo)簽的最大讀取距離約為8.5 m且在反復(fù)拉伸1 000次后RFID標(biāo)簽還能保持將近7 m的讀取距離。

圖7 反復(fù)拉伸后RFID標(biāo)簽靈敏度變化曲線圖Figure 7 Relationship between the sensitivity of RFID tag and frequency after repeatedly stretching

圖8 反復(fù)拉伸后RFID標(biāo)簽讀取距離變化曲線圖Figure 8 Relationship between the reading distance of RFID tag and frequency after repeatedly stretching

最后，作為可穿戴電子的一個應(yīng)用實例，柔性可拉伸RFID標(biāo)簽被直接集成在T恤上，如圖9，測試者使用手持式RFID閱讀器能從遠(yuǎn)處讀取到可拉伸UHF RFID標(biāo)簽。并且當(dāng)實驗人員在步行，揮動手臂或進(jìn)行其他活動時柔性可拉伸RFID標(biāo)簽還能正常工作并始終保持較高的靈敏度和讀距。

圖9 柔性可拉伸RFID標(biāo)簽集成在T恤上，并與手持RFID閱讀器進(jìn)行通信Figure 9 Photograph of a stretchable RFID tag integrated on a T-shirt and communicated with a handheld RFID reader

3 結(jié) 語

本文通過對RFID標(biāo)簽芯片阻抗的分析計算，得出了標(biāo)簽芯片阻抗隨頻率變化的曲線，并采用三維電磁仿真軟件HFSS設(shè)計了一款基于半波偶極子天線的UHF RFID標(biāo)簽天線，通過絲網(wǎng)印刷的方法制作出了柔性可拉伸RFID標(biāo)簽并測試了其性能。結(jié)果表明，柔性可拉伸RFID標(biāo)簽的實際測試結(jié)果與仿真結(jié)果一致，且在反復(fù)拉伸數(shù)次后還能維持良好的靈敏度和讀取性能，說明可用于可穿戴電子領(lǐng)域。