鐘 濤，金 寧，顧唯兵

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

射頻識別[1](Radio Frequency Identification, RFID)技術，是一種無線通信技術，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數(shù)據(jù)信息。作為RFID技術中最為重要的載體，UHF RFID標簽由于其特有的優(yōu)勢被廣泛應用于交通、物流、防偽、零售、醫(yī)療等領域[2]。目前市場上的UHF RFID標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效率較低，并且在其制備過程中產生大量的酸液和金屬廢液的排放對環(huán)境污染嚴重，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標簽而言，印刷RFID標簽的制作[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標簽并逐漸走向上商業(yè)化。采用印刷法制作RFID標簽還有一個最為顯著的優(yōu)點，即可以將RFID標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，從而更好地應用于物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴電子領域[4]。

將無源UHF RFID標簽結合到布料等柔性基材上首先要考慮的是RFID標簽的拉伸性，國內外許多專家已對可拉伸RFID標簽進行了相關研究，并取得了一定的研究成果。VIRKKI J[5]等研究了反復拉伸對鍍銀電子織物RFID標簽和印刷RFID標簽性能的影響。CHEN X C[6]等提出了一種由導電織物制成的無源UHF RFID應變傳感器標簽，測量了RFID電子標簽在不同拉伸狀態(tài)下最大讀取距離以及標簽后向散射強度對RFID標簽天線伸長的響應。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織物標簽，RFID標簽天線采用鍍銀(銅)電子織物天線和刺繡天線兩種形式，并對其在反復拉伸100次后的標簽性能進行了測試。RIZWAN M[8]等提出了一種柔性3D打印UHF RFID標簽，并測試了拉伸數(shù)次后RFID標簽讀取距離的變化趨勢。以上是可拉伸RFID標簽的相關研究，大多數(shù)文獻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標簽天線以制成柔性可拉伸RFID標簽。

基于以上背景，本文設計了一款基于半波偶極子天線的UHF RFID標簽，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標簽，標簽在反復拉伸后的工作性能優(yōu)于國外文獻報道的結果。

1 RFID標簽的選型

1.1 標簽芯片輸入阻抗分析

RFID標簽一般由標簽芯片和標簽天線組成，大多數(shù)天線設計中天線端口阻抗都以50 Ω或75 Ω來進行端口阻抗匹配，而在UHF RFID標簽天線的設計中，標簽天線與標簽芯片之間沒有傳輸線，兩者是直接相連的。由于標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阻抗。為了實現(xiàn)標簽芯片與標簽天線的最大功率傳輸，通常需要將RFID標簽天線的輸入阻抗設計為標簽芯片輸入阻抗的共軛值，即標簽天線與標簽芯片阻抗共軛匹配。

目前市場上常用的RFID標簽芯片為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，而標簽芯片的靈敏度將直接影響到RFID標簽的讀取距離。為了實現(xiàn)更遠的讀取距離，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產生的寄生電容考慮在內，則總的負載電容為1.44 pF，下面對其輸入阻抗進行分析。

輸入阻抗的仿真分析：

利用ADS進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 標簽芯片等效電路圖Figure 1 Equivalent circuit diagram of the tag chip

圖2 標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，其端口復阻抗計算公式為

(1)

即

(2)

則RFID標簽芯片阻抗的實部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標簽天線的設計

影響RFID標簽天線性能的主要因素有標簽天線的尺寸結構、材料特性和應用環(huán)境等，本文設計的RFID標簽天線僅考慮天線尺寸結構對天線性能的影響。目前，常用的RFID標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簽天線的尺寸，并且能增加調整天線端口阻抗的靈活性，故其被廣泛用于RFID標簽中。本文設計的RFID標簽天線采用小環(huán)天線(匹配結構)和彎折偶極子天線組合形式，其結構如圖3。小環(huán)天線可用于與標簽芯片進行阻抗匹配，偶極子天線能提升標簽天線的增益和輻射效率。在標簽天線端口處采用了常用的T型匹配網(wǎng)絡結構[10]，通過調節(jié)T型匹配網(wǎng)絡結構的尺寸參數(shù)(a和b)和線寬w，可以調節(jié)天線的諧振頻率和輸入阻抗，以滿足與標簽芯片阻抗的共軛匹配的要求。偶極子標簽天線采用左右對稱結構，左右兩臂經(jīng)多次彎折加感，通過調節(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)對標簽天線輸入阻抗、工作頻率及帶寬的調節(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，且能增加標簽天線的雷達散射截面(RCS)，增加標簽的有效讀取距離。UHF RFID標簽天線的尺寸參數(shù)如表1。

圖3 UHF RFID標簽天線尺寸結構圖Figure 3 Structure diagram of UHF RFID tag antenna

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

1.3 RFID標簽天線的HFSS仿真結果分析

用HFSS仿真的UHF RFID標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標簽天線在890 MHz附近與標簽芯片匹配程度最佳，此時S11=-28.598 dB，標簽天線的輸入阻抗為(12.38+j121.79) Ω，與標簽芯片在890 MHz處的阻抗(12.72-j122.87) Ω共軛匹配。標簽天線在全頻帶(860～960 MHz)范圍內的回撥損耗S11<-10 dB，滿足標簽天線的帶寬要求。

圖4 UHF RFID標簽天線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標簽的制作及測試

柔性可拉伸RFID標簽實物圖如圖6，其制作過程如下：

1)首先將設計好的UHF RFID標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)然后采用可拉伸導電銀漿通過絲網(wǎng)印刷的方式將UHF RFID標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電膠(ACA)，再用RFID電子標簽封裝機通過熱壓的方式綁定上RFID芯片(Impinj, Monza R6)，以制成RFID標簽(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標簽實物圖Figure 6 Image of the flexible and stretchable RFID tag

4)最后在標簽天線的匹配環(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生不必要的形變。

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

圖7 反復拉伸后RFID標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 反復拉伸后RFID標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用實例，柔性可拉伸RFID標簽被直接集成在T恤上，如圖9，測試者使用手持式RFID閱讀器能從遠處讀取到可拉伸UHF RFID標簽。并且當實驗人員在步行，揮動手臂或進行其他活動時柔性可拉伸RFID標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標簽集成在T恤上，并與手持RFID閱讀器進行通信Figure 9 Photograph of a stretchable RFID tag integrated on a T-shirt and communicated with a handheld RFID reader

3 結 語

本文通過對RFID標簽芯片阻抗的分析計算，得出了標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設計了一款基于半波偶極子天線的UHF RFID標簽天線，通過絲網(wǎng)印刷的方法制作出了柔性可拉伸RFID標簽并測試了其性能。結果表明，柔性可拉伸RFID標簽的實際測試結果與仿真結果一致，且在反復拉伸數(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域。