UHF无源RFID小型化宽频带布草洗涤标签设计

2019-11-07 11:11:17 移动通信 2019年9期

杨跃胜 武岳山

【摘  要】依据电感耦合馈电结构宽频带天线理论,分别设计洗涤标签辐射天线和耦合环天线,仿真结果表明,标签具有宽频带、高灵敏度、天线阻抗易调节优点。标签采用布草作为辐射天线基底,印刷电路板实现双层馈电环,芯片绑定到馈电环后胶封实现片芯,实际加工洗涤标签样品并进行小批量生产,标签满足小型化、可批量生产要求,具有良好的一致性,可通过300次严苛的洗涤环境测试,性能超越市面现有洗涤标签。

【关键词】RFID;布草;洗涤标签;UHF;小型化;宽频带

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.017        中图分类号:TN99

文献标志码:A        文章编号:1006-1010(2019)09-0092-05

引用格式:杨跃胜,武岳山. UHF无源RFID小型化宽频带布草洗涤标签设计[J]. 移动通信, 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

多年来,射频识别(RFID, Radio Frequency Identification)技术在交通、物流和资产管理等方面取得了长足发展,随着该技术与其他领域技术的融合与创新应用,RFID技术进入人们生活的方方面面,尤其在布草管理方面逐渐得到使用和稳定发展。RFID技术应用于布草洗涤管理,对布草的全流程生命周期进行监控,准确了解布草质量,监控布草清洗流程,为布草洗涤方(洗涤公司)、布草使用方(酒店、医院、铁路公司等)、布草生产方(布草生产公司)提供准确的、可追溯的数据信息,实现智能布草。

智能布草是将基于RFID技术的电子标签缝制到布草上实现管理。布草标签不同于普通的电子标签,由于需要经过生命周期中的数百次高温洗涤、高温烘烤熨烫、高压和高碱性环境,而且标签不能影响布草使用的舒适性,因此布草标签天线的设计形式有其特殊性。市面上现有洗涤标签通常为尼龙网布基材标签和硅胶基材标签,尼龙网布基材标签通常为85 mm以上,面积较大,缝制到布草边缘受限制,影响美观舒适性;硅胶基材标签通常为60 mm左右,柔软舒适,但耐受洗涤能力较弱,通常150次以内已起包磨损开胶。文献[1]提出用于服装管理的标签,虽然物流管理有所保障,但柔软舒适性不足,耐受洗涤能力有限;文献[2]提出标签天线采用T型匹配天线结构,织物表面喷涂天线,但洗涤后标签无法读取;文献[3]研究耐水洗型UHF RFID标签时,在芯片处涂抹保护层,但受单层布料结构影响,涂层在洗涤中严重破坏,无法起到保护芯片作用;文献[4]和文献[5]中采用银浆油墨进行丝网印刷天线,后者在布草表面涂抹聚酯树脂固定天线,但洗涤7次后性能均下降明显,无法满足洗涤次数要求。本文重点对布草洗涤标签基材和天线设计进行分析和研究,满足布草洗涤环境需求。

2   标签天线结构及设计原理

布草洗涤过程中需要多次的冲刷和揉搓,同时要保证标签性能稳定,因此,布草洗涤标签天线采用电感耦合方式,馈电小环天线和辐射天线无电连接,标签易于实现宽频带特性。

电感耦合馈电天线结构的一般形式如图1所示:

该天线包括一个独立的辐射主体和一个馈电环,天线辐射体采用一段金属线或者具有一定宽度的辐射贴片,其具体形式多种多样,芯片焊接到馈电环上。馈电环和辐射体之间的耦合强度主要受两个因素影响:其一,天线辐射体和矩形馈电环之间的间隙d,间隙越小,耦合强度越强,反之成立;其二,馈电环的尺寸大小亦影響两者之间的耦合强度,耦合强度的大小对天线性能的影响可以由天线的输入阻抗来反映和分析。

图2为电感耦合馈电标签天线等效电路模型[6]:

从文献[6]可知,当天线工作在谐振频率f0时,即f=f0,天线馈电口处输入阻抗为:

Zin=Rin+jXin=(2πfm)2/Rr+j2πfLloop(1)

式中M表示天线辐射体和馈电环之间的互感,表征两者之间的耦合强度;Lloop表示馈电环本身的电感值;Rr表示天线的谐振频率附近的辐射电阻。

从天线馈电口输入阻抗表达式知:天线输入阻抗的实部受到天线辐射体与馈电环之间的耦合系数及天线辐射体自身的辐射电阻控制,而天线输入阻抗虚部则取决于馈电环本身电感值的大小,因此,天线输入阻抗的实部和虚部独立可控。选择尺寸适当的馈电环,抵消芯片阻抗的虚部,然后调节馈电环与天线辐射体之间的间隙或者改变辐射体的尺寸,获得合适的实部,最终实现天线与芯片阻抗共轭匹配[7]。为了节省天线的尺寸,通常采用弯折线设计辐射体,与电感馈电结构标签天线一般形式相比,引入弯折线之后,辐射体上的每个弯折处引入了电抗,影响天线的整体电抗值,设计时需灵活调节天线辐射体弯折处宽度,获得适当的电抗值。

3   天线尺寸仿真和结果

文献[7]和文献[8]针对理论进行仿真,理论和仿真结果吻合。考虑到洗涤标签应用环境特殊性,保证标签性能前提下,标签越小越好。根据性能要求及市场前端反馈,标签大小为59 mm×15 mm,标签天线大小为55 mm×11 mm,芯片馈电环天线采用直径为5 mm的PCB进行设计,天线设计图如图3所示:

馈电环天线采用双层PCB实现,顶层环最小,底层为双环结构增加电感值,顶层和底层环通过过孔进行连接。为减小标签面积,辐射体采用弯折线实现;为增加耦合效果,提升标签的带宽,辐射体两个端子中间为半圆环结构;PCB上的馈电环邦定芯片后胶封,放置到辐射体的开口圆环内部,通过调节辐射体圆环半径,调节耦合系数,进而调整天线带宽。

由天线仿真可知:顶层馈电环天线的小环半径越小,谐振频率越高;底层馈电环天线的小环半径增大,谐振频率向低频方向偏移,反之成立。辐射天线线宽设置为1 mm,馈电环天线线宽为0.3 mm,设置c1为馈电环顶层小环直径,c2为馈电环底层内小环直径,c3为馈电环底层外小环直径,优化后,该天线仿真尺寸参数如表1所示:

图4所示为天线回波损耗S11值,该标签天线带宽较宽,860 MHz—960 MHz阻抗虚部变化较小,全频段内灵敏度优于-22 dBm,谐振频率为915 MHz左右,谐振深度为-34 dBm。仿真结果代表变化趋势,实际应用环境受多个因素影响,结果会发生微小变化。

4   实际天线样品及测试

为适应布草洗涤环境和减少标签对布草舒适度的影响,标签表面材质选择致密棉纤维布,将金属丝束绕制的天线采用缝纫机工作模式设备按照表1尺寸缝制到30 mm宽度的棉纤维布上,天线只能覆盖棉纤维布宽度的一半,便于后续折叠。在0.8 mm厚度5 mm直径圆片PCB上加工馈电环天线,线宽均为0.3 mm,通过优化,实际加工时馈电环顶层小环直径为2.3 mm,底层内环直径尺寸为3.3 mm,底层外环直径尺寸为4.3mm,将NXP Ucode7芯片绑定到馈电环后胶封,形成片芯。生产洗涤标签时,将片芯放置到辐射天线的开口耦合环内部即可,使用转移胶将纺线布对折,标签天线和芯片包裹到双层棉纤维布内部,形成布草标签,布草洗涤标签图片、标签天线和“片芯”如图5所示:

使用Voyantic标签测试仪,在空气中和T恤衫介质中(模拟布草)进行灵敏度扫描,图6所示为该洗涤标签在空气中、10件T恤衫中和20件T恤衫中进行灵敏度扫描的结果。

从图6可知,该标签在空气介质中,860 MHz—960 MHz全频段灵敏度优于-11.5 dBm,国内应用频段920 MHz附近灵敏度为-11.5 dBm,空气介质中标签主要应用在发卡时写入信息,通常为抵近写入,因此该标签空气介质中全频段灵敏度性能优异。标签应用环节会放入使用的介质中,这样才能体现该标签天线的性能,为此分别将标签放置于10件(标签上下各5件T恤衫)和20件(标签上下各10件T恤衫)T恤衫介质环境中,860 MHz到960 MHz全頻段灵敏度优于-8 dBm,国内应用920 MHz附近灵敏度为-13.3 dBm,因此该标签在布草内部满足全频段应用,尤其针对欧频、美频和国内920 MHz—925 MHz频段时性能更加优异。

该标签进行小批量生产后,在实验室对洗涤环境进行模拟测试,每次循环将标签浸入80℃水中2小时、80℃环境模拟烘干半小时和190℃的模拟熨烫5秒钟,标签在如此严格的测试条件下100次循环测试,性能稳定,外观无明显形变。为确保PCB馈电环部分不分层,将该标签放入水中240小时,过程中间进行50次100℃水冲击,标签取出晾干后性能稳定,胶封的PCB小环未发现异常,植入标签辐射天线环内,标签性能正常。为确保大型洗涤厂进行压榨脱水环节(洗涤厂现有压力值均低于40 bar)对芯片的损坏,实验室采用40 bar压力对203枚标签进行循环200次模拟压榨脱水,测试完成后进行多标签读写测试,所有标签均正常读写,“片芯”可承受模拟压力测试。

为充分验证标签在洗涤厂的生命周期情况,使用200个样品标签在洗涤厂进行实际使用环境检验,标签可满足300次的严苛洗涤环境测试,性能稳定,满足布草应用的生命周期需求。

5   结束语

本文采用布草为标签基板,将金属线束按照天线样式缝制到布草上,实现洗涤标签天线,双层PCB加工馈电环,芯片绑定后形成“片芯”,最终设计了一款可以经受数百次的耐高温耐高压环境的小型化宽频带洗涤标签,通过空气和布草介质灵敏度检验测试、批量生产和环境模拟测试、批量洗涤厂环境测试,与现有尺寸类似洗涤标签相比,性能提升明显,可以满足全频段应用。

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