新型柔性无芯片射频标签的研究制作

孙宝海,李大全,秦 丽,张会新*

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;2.电子测试技术重点实验室,太原 030051;3.北京宇航系统研究所,北京 100076)

新型柔性无芯片射频标签的研究制作

孙宝海1,2,李大全3,秦 丽1,2,张会新1,2*

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;2.电子测试技术重点实验室,太原 030051;3.北京宇航系统研究所,北京 100076)

目前应用的射频标签均为硬质PCB板,存在芯片水洗后易脱落、弯折易断裂的缺点,应用受到很大限制。针对以上缺点,提出柔性射频标签的概念,该标签由导电纱线经特定工艺制成,制作出不同的射频标签,然后对柔性无芯片射频标签传输线和天线的传输特性等进行测定,并讨论最佳工艺结构。制作出的柔性无芯片射频标签,既保留传统射频标签的功能,又可承受一定的弯曲和水洗,而其功能结构不受影响。

柔性射频标签;无芯片射频技术;天线;传输线

射频识别技术RFID(Radio Frequency Identification),该技术是以无线的射频方式,利用射频信号通过空间耦合进行非接触式双向通信交换数据,以达到自动识别的目的。射频识别系统具有寿命长、标签数据可加密、存储信息量大、可以在恶劣的环境下工作等优点,且它的编码能力和识别能力均高于条形码技术。柔性无芯片射频标签既保留射频标签的特点,且体积小,更加方便快捷的应用于物品的跟踪与定位。

1 相关射频技术原理

射频识别系统由射频标签、阅读器和数据交换与管理系统3个部分组成,本文主要研究的是柔性无芯片射频识别标签的研制,系统组成如图1所示。

系统中,射频标签用于存储数据编码信息,可以执行对数据的收集与存储。射频标签由传输线与单极天线组成,本文分别对传输线和天线的制作和性能进行分析,组成图如图2所示。

图1 射频系统组成图

图2 无芯片射频标签组成示意图

2 射频标签传输线的制作与分析

应用导电纱线(材质为银)制作信号传输线,而纱线与电流传输方向夹角和纱线之间的间距都会对传输线的直流电阻和传输性能产生很大影响,故测试不同夹角和间距的相关特性,并进行分析。

2.1 传输线的制作

(1)

2.2 传输线直流电阻的测试与分析

2.2.1 纱线与电流传输方向夹角对直流电阻的影响

传输线的纱线与电流传输方向夹角不同,会使直流电阻有很大差异,根据相关知识,制作6种典型结构,放大十倍其结构如图3所示。

图3 不同结构传输线实物图

应用万用表,以多次测量取平均值的方法,测得的直流电阻与标注电阻作比较,绘制成图4,如图4所示,两者差值越大,表示直流电阻的离散性越大。

图4 直流电阻与标注电阻对比

从图4可以看出,1#直流电阻最小,离散型最好,由图3可知,1#为传输线与电流方向平行,故选择此方式作为传输线的传输方向。

2.2.2 传输线间距对直流电阻的影响

应用万用表对不同传输线间距的样品做直流电阻测定,分析结果如图5所示,发现:当间距在0.5 mm以下变动时,传输线电阻值的变化较明显,与间距呈直线增长;当间距在0.5 mm和1.5 mm间变动时,电阻值呈阶梯形上升;当间距大于1.5 mm时,传输线宽度内的导电纱线均为3根,电阻值在4.8 Ω几乎不变。

如图5所示,根据阻值大小可分为0.5 mm～0.7 mm、0.8 mm～1.4 mm和1.5 mm以上3个范围,在这3个范围内对传输线密度,即传输线根数进行统计,如表1所示。

综上所述,对导电纱线和直流电阻进行拟合,设导电纱线根数为X,直流电阻为Y,得到两者之间关系如下关系y=13.997 6x^(-0.986 9),其中偏差为0.998 3,拟合曲线如图6所示得出,在直流电阻测试中,传输线可视为导电纱线并联而成。

图5 不同间距样品的直流电阻

表1 纱线间距与根数关系

图6 拟合曲线

2.3 传输线传输性能的测试与分析

因为射频器件多工作在900 MHz和2.45 GHz的环境下,故采用NA7300矢量网络分析仪扫描传输线在300 kHz～3 GHz下的传输性能。

2.3.1 不同夹角对传输性能的影响

同样采用多次测量取平均值的方式,使用NA7300矢量网络分析仪对传输线传输性能进行测定,绘制出不同夹角传输线的指数参数S21曲线,如图7所示,可以看出不同夹角的传输线波动大致相同,但是绝对值差别很大:在低于700 MHz时,传输性能波动很大,有明显的双波谷;在高于700 MHz时,S21曲线波动较为平缓。

图7 不同夹角传输线性能分析

2.3.2 不同间距对传输性能的影响

测试不同间距传输性能,得到传输参数S21曲线,如图8所示,可以看出扫描频率低于700 MHz时传输性能波动比较大;在700 MHz～1 500 MHz时,传输曲线较为平稳,波动大致相同;当高于1 500 MHz时,有明显的下降,说明信号耗损严重。

图8 不同间距传输线性能分析

2.4 结论

分析表明,当导电纱线方向与电流传输方向相同时,传输线的直流电阻最小,传输性能最好,反射性能较明显;当导电纱线方向与电流传输方向有一定角度时,传输线的直流电阻较小;当导电纱线方向与电流传输方向垂直时,传输线的直流电阻大,传输性能较差。当导电纱线方向与电流传输方向不平行时,传输线的传输性能和反射性能均不如平行时,并且传输曲线和反射曲线中,试样间相互的区别并不明显。

间距可以控制导电纱线的密度。当设置的间距较小、在0.3 mm以下时,导电纱线密度较大,传输线的直流电阻较小,反射性能较好,但与其他情况下的差异性较大,然而传输性能没有明显的变化。当间距大于0.3 mm时,随间距的增大,绣传输线的直流电阻梯形增大,传输性能没有明显变化,反射曲线的规律性明显,这表明当间距大于某一值后,间距对传输线的传输和反射性能的影响降低。

图9 天线几何结构示意图

3 射频标签天线的制作与分析

3.1 传输天线的制作分析

天线作为信号接收与发送的重要部件,是将导电纱线按照几何设计,制作在纯棉绝缘基材而成。相关天线设计研究表明,要根据天线大小进行匹配,其几何结构与参数如图9所示,圆形天线的设计可以更好地保证其辐射性能,适用于本文的柔性无芯片射频标签设计。查阅相关资料,天线的馈线长度为21 mm,反面接地层的高度为20 mm,相差为1 mm时,可以更好地匹配。

3.2 不同长度对天线传输性能的影响

将不同长度下的天线反射系数进行处理与比较,如图10所示,可以直观的看出,不同长度的天线无论是工作频率还是波动趋势差别都很大。

图10 天线性能分析

从图10可看出,当长度较小时,如48#为0.5 mm和49#为0.6 mm,天线的反射曲线工作频率差异较大,反射曲线波谷点较小;当长度为0.7 mm和0.8 mm时,天线的反射曲线波谷清晰,工作频率明显,反射性能较好;当长度为0.9 mm时,天线的反射曲线波谷点增大,天线反射性能变差;当长度为1 mm及以上,并逐渐增大时,天线的反射曲线波谷点逐渐变小,反射性能逐渐变差,工作频率大致先稍有增大再减小,最后变得不清晰,尤其是当长度过大,在9 mm～10 mm时,天线的反射曲线波谷很大,工作频率不明显,反射性能差,不能满足天线的工作条件。

3.3 结论

本节根据相关天线制作问题,对不同长度对天线

的影响做出了测试与分析,得出最佳长度,使天线有良好的反射性能。当长度小于0.7 mm时,天线反射性能差,工作频率不明显;当为大于0.9 mm时,信号侧漏,不符合工作要求;只有在0.7 mm～0.9 mm之间时,才会有着良好的反射性能。

4 总结

本论文通过对无芯片射频标签的天线和传输线在不同条件下进行测定与分析,研究不同条件下对传输线和天线的影响,通过分析相关结果,选出最佳结构,最终制作出新型柔性无芯片射频标签。

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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