基于直写技术的平面螺旋天线的研究

白育全，文学洙，Lee In Hwan，Kim Min Kyung

(1.延边大学工学院 机械工程系，吉林 延吉 133002；2.韩国忠北大学 机械工程系 Nano & Bio实验室，忠清北道 清州 361763)

RFID(Radio frequency identification)技术由于具有抗干扰、效率高等优点[1]，近年来在物流管理、身份识别、电子货币等领域被广泛使用.平面螺旋天线作为RFID标签的重要组成部分，其生产方式大部分是由绕线、蚀刻等技术制作.文献[2]研究表明，通过蚀刻等各种技术制造平面螺旋天线时需要经过热、机械压力、化学腐蚀等工艺，因此对基板的材质有一定的限制，除此之外还需要考虑制造工艺复杂程度和制造成本.文献[3]介绍了网版印刷、凸版印刷等制造平面螺旋天线的方式，但由于这些技术需要转印等工序，增加了制造成本.由于直写技术具有对基板材质要求不高、制造方式简单等优点，并且可以通过计算机编程任意修改天线的尺寸，因此，本文利用直写技术探讨制造平面螺旋天线的可行性.

1 实验设备及工作原理

研究采用的导电性油墨为CANS ELCOAT-P100，它具有良好的导电性、附着性，可在常温下干燥.实验装置如图1所示，图中实验装置的规格如表1所示.实验中需要把装满导电油墨的容器固定在Z轴上，并利用直角坐标系统控制其在X、Y、Z轴上的运动.为了使导电性油墨可以定量地喷出，采用压力补偿控制器控制压力的强度，使导电性油墨直接从针头被挤压到基板上，同时利用直角坐标系统控制针头的移动，从而得到所设计的形状[4].

(a) 整体实验装置图

(b) 填装导电性油墨示意图

表1 实验装置规格

2 速度和压力对线宽的影响

直写技术中针头的移动速度对产品的质量至关重要，如果超速将会导致导线断路，产品无法使用.为考察不同速度对导线线宽的影响，本文在速度变化范围为2～10 mm/s的条件下，分别在不施加压力和施加压力(10 kPa)的情况下进行试验.试验所用针头内径均为180 μm.

不施加压力时，导电性油墨的喷出量依靠其自身重力来实现，因此，实验过程中控制好针头与基板的距离十分关键，控制不好就会导致导电性油墨与基板无法接触.如图2所示：随着针头移动速度的增加，线宽呈减小趋势.经万用表测定显示，电流均可以正常通过各段导线.

图2 移动速度对线宽的影响

施加压力时的试验情况如图3所示：随着针头移动速度的增加，线宽虽然仍呈减小趋势，但减小幅度比无压力时更均匀，而且线宽有了明显的增加.经万用表测定显示，电流均可以正常通过各段导线.以上试验表明，施加压力后可有效增加线宽，且不需要严格控制针头与基板之间的距离，因此施加压力更有利于试验的进行.

图3 移动速度对线宽的影响(10 kPa)

3 电感的计算

电感值随平面螺旋天线线圈形状的变化发生变化，其计算方法较多，但由于相对于线宽来说导线的厚度非常薄，大多数电感值的计算方法中都忽略了导线的厚度.公式(1)为没有考虑导线厚度的Modified wheeler电感计算公式[5]：

(1)

其中:davg=0.5(dout+din);ρ=(dout-din)/(dout+din);n为电感的圈数;μ0为真空磁导率，约为1.257 μH/m.从(1)式可以看出，电感值随着圈数、dout和din的增大而增大.

如果考虑导线的厚度，Grover法[6]可以更精确地计算出天线的电感值，其计算公式为：

LT=L0+∑M,

(2)

L0=∑Ln,

(3)

(4)

其中：LT为总电感值，L0为电感的自感，M为互感,Ln为螺旋电感各段的自感，ln为螺旋电感每段的长度，w和t分别是导线的宽度和厚度.从(4)式可以看出，导线厚度仅会略微减小电感值，其计算过程相对复杂.

4 螺旋天线的制作

通过尺寸设计，以及计算机编程，所制作的平面螺旋天线如图4所示.在测量所制造的平面螺旋天线的实际尺寸后，将其代入(2)—(4)式计算，结果约为2.7 μH.

图4 利用直写技术制造的平面螺旋天线

为了测量天线的实际电感值，使用HP公司生产的4263B LCR表对若干个天线线圈进行测量，其测量值为2.6～3.1 μH.理论计算值在实际测量结果范围内，这说明在制作具有一定电感值的平面螺旋天线时，可以利用电感计算方法来提前推断其电感值是否符合设计要求.

将天线的两端与IC卡芯片连接，制作成简单的标签后，利用阅读器对标签进行测试，发现所制作的标签可以正常工作，说明线圈内部磁通量的变化产生了电压，电压足以提供正常的能量来支持芯片正常工作，使芯片可以进行数据交换.

5 结论

本文利用直写技术制作了平面螺旋天线，理论计算值和实测电感值显示，计算值在测量结果值范围内，因此在现有实验设备条件下可以使用直写技术来制作平面螺旋天线.由于本次实验仅研究了速度对实验的影响，因此，在今后的研究中将考虑不同压力以及针头内径大小对试验的影响，以确定最佳试验参数.

参考文献：

[1] 戴彩艳.13.56 MHz RFID读写器天线的研究与设计[D].福州：福建师范大学，2013.

[2] 刘丽梅，李娟，苏冠群.RFID天线制作应用价值及前景分析[J].金卡工程，2007(12)：54-56.

[3] 刘春格.RFID电子标签天线的印刷[J].出版与印刷，2011(1):37-39.

[4] Oh Sung Taek, Lee In Hwan, Cho Hae Yong. Fabrication characteristics of conductive materials for the flow rate and nozzle moving speed[J]. Journal of Industrial Science and Technology Institute, 2013,27(1):1-4.

[5] Mohan S S, Hershenson M, Boyd S P, et al. Simple accurate expressions for planar spiral inductances[J]. IEEE J Solid-State Circuits, 1999,34(10):1419-1424.

[6] Greenhouse H M, Member Senior. Design of planar rectangular microelectronic inductors[J]. IEEE Transaction on Parts, Hybrids, and Packing, 1974,10(2)：101-109.