楊躍勝 武岳山

（深圳市遠望谷信息技術股份有限公司，廣東 深圳 518057 ）

常見的電子產(chǎn)品由焊接的芯片、電容和電阻的一塊或多塊印制電路板（PCB）組裝而成。現(xiàn)階段電子產(chǎn)品在模塊、整機、包裝、倉儲物流等環(huán)節(jié)跟蹤和記錄通常采用二維碼實現(xiàn)，完成產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)的識別及跟蹤過程需要多次粘貼條形碼，耗時費力；靠條形碼識別的PCB產(chǎn)品，如果擺放位置偏差，導致漏讀和錯讀問題嚴重，且每次只能讀取一個條形碼；電子產(chǎn)品維修過程中存在破損和沾污的情況，使得采用條形碼識別和跟蹤的PCB產(chǎn)品制造精細化管理存在困難。RFID（Radio Frequency identification，射頻識別）技術具有抗油污、讀寫距離遠、多標簽識讀等特點，與PCB的結合可實現(xiàn)對電子產(chǎn)品全生命周期的跟蹤識別。

文獻[1]中，將RFID標簽設計到電能表的PCB上，實現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)透明化及信息管理清晰化，但是該標簽天線設計需要根據(jù)不同的產(chǎn)品進行不同的匹配和設計，讀寫距離僅僅幾十厘米，對于其他應用無法普及；文獻[2]中采用印刷天線的形式設計標簽天線，提高了讀寫距離，但該天線設計形式占用較多PCB面積，應用范圍受到極大的限制；文獻[3]提出了在PCB邊緣進行RFID天線設計，避免了在PCB上粘貼RFID標簽，降低了標簽成本，但是天線采用彎折縫隙線實現(xiàn)，占用PCB板面積較大，匹配較困難。

本文結合現(xiàn)階段制造電子產(chǎn)品的PCB組裝、產(chǎn)品包裝、物流、維修等環(huán)節(jié)信息化需求，在不影響PCB電路性能的基礎上，盡量少的占用PCB的面積，提出基于RFID技術的智能PCB設計，測試結果表明，靈敏度及讀寫距離滿足應用要求。

1 PCB載RFID標簽天線結構

RFID電子標簽由標簽天線和芯片組成，芯片通常呈現(xiàn)容性，因此標簽天線阻抗需要呈現(xiàn)一定的感性，進而與芯片阻抗共軛匹配，實現(xiàn)功率傳輸最大化。普通偶極子天線感抗較小，需要較大的面積才能實現(xiàn)與芯片阻抗匹配，為了在有限的面積內(nèi)實現(xiàn)芯片阻抗匹配，普通偶極子天線上進行終端短路的短截線設計實現(xiàn)感性加載，圖1所示為終端短路短截線感性加載示意圖。

圖1 終端短路的感性加載天線示意圖

終端短路短截線實現(xiàn)標簽天線感性加載，不僅可以增加RFID天線的感抗，同時可以大大提升標簽的抗靜電能力。從傳輸線理論可知，長度為的傳輸線輸入阻抗的一般公式[4]，見式（1）。

式中為傳輸線的特性阻抗，串聯(lián)在傳輸線末端的負載阻抗，由于終端短路的短截線其負載為0，根據(jù)式（1）可知，終端短路的短截線的輸入阻抗式見式（2）。

從式（2）可知，天線呈現(xiàn)感性加載，且長度從0逐漸增加到時，感性加載逐漸增大，因此適當調(diào)整感性加載短截線的長度，進而實現(xiàn)天線阻抗虛部與芯片阻抗虛部匹配[5]。

為了盡量少占用PCB面積，將RFID標簽天線設計到PCB的邊緣，同時標簽天線設計時充分使用PCB的GND層作為RFID標簽的輻射天線。因此，對PCB板的GND層長邊邊緣部分開口，做出一定的凈空面積，即凈空面積內(nèi)部除連接芯片的端子外，任何層均不可進行覆銅或者電路設計，如圖2所示。

圖2 凈空面積內(nèi)PCB各層設計禁區(qū)示意圖

2 PCB載RFID標簽天線仿真

根據(jù)PCB載RFID標簽天線設計原理及圖2所示的凈空面積內(nèi)天線設計注意事項，使用電磁仿真軟件對單層、雙層和多層板PCB板載RFID標簽天線進行仿真，仿真結果發(fā)現(xiàn)：

（1）針對長邊為100 mm左右的PCB板，凈空面積越大，阻抗匹配越容易?？紤]到盡可能少的占用PCB面積，實際應用時，凈空面積放置到PCB長邊邊緣，凈空面積內(nèi)長邊可以略長，但深入PCB內(nèi)部寬度盡可能窄，可以根據(jù)應用頻段進行凈空面積的設計。針對900 MHz附近頻段標簽天線調(diào)試過程中，進行40 mm×1 mm、40 mm×2 mm、36 mm×2 mm凈空面積實驗，性能滿足應用需求，考慮到凈空面積不應占用較多PCB，因此可將凈空面積設置為40 mm×1 mm。

（2）如果PCB面積較小，相對于長邊也較短，可以采用延長開縫縫隙進行設計提高工作頻段的靈敏度，但可能導致諧振深度不夠，實際應用時綜合考慮。

（3）仿真時采用40 mm×1 mm的凈空面積設計PCB載RFID標簽天線，單層板RFID標簽靈敏度明顯高于雙層板或者多層板，而雙層板靈敏度與多層板靈敏度差別較小。

（4）凈空面積為40 mm×1 mm的標簽天線，理論上如果PCB邊長大于165 mm時，讀寫距離達到最大值，這與工作于900 MHz附近的半波偶極子天線相關，因此當PCB長邊大于200 mm時讀寫性能將低于2 m，但考慮到PCB非GND（接地層）上的多個過孔與GND相連接，甚至其他層上大面積GND覆銅，導致此參數(shù)并不一致。針對PCB長邊超過200 mm時，可以使用短邊上進行凈空面積設計開發(fā)PCB板載標簽天線，亦或是通過增加凈空面積的深度值，降低此效應的影響。

電磁波仿真過程中，僅僅可以在多層PCB之間打過孔來確認對標簽性能的影響，但無法確認PCB板載RFID標簽天線表面增加元器件，對靈敏度效果的影響，因此，需要實物打樣測試進行確認。

3 PCB載RFID標簽天線性能

PCB載RFID標簽打樣測試時，標簽芯片采用遠望谷公司研發(fā)的EPC協(xié)議C43芯片，標簽天線設計時，盡量減少對原PCB面積的占用，圖3所示為某產(chǎn)品PCB板表面天線設計形式示意圖，PCB表面包含諸多電子線路及相關元器件。

圖3 PCB載RFID標簽天線設計尺寸及形式

從圖3可以看出，PCB載RFID標簽天線設計僅僅占用PCB的長邊邊緣40 mm×1mm凈空面積，芯片饋電點置于PCB頂部邊緣，芯片的RF腳和GND腳分別通過0.3 mm～0.5 mm的覆銅與PCB的GND層（天線輻射端）電連接，即完成了PCB載RFID標簽天線設計，圖4所示為該PCB載RFID標簽天線焊接C43芯片之后靈敏度掃描曲線。

從圖4可以看出，該PCB載RFID標簽天線諧振頻率為970 MHz，諧振深度為-12.5 dBm，使用遠望谷生產(chǎn)的便攜式小型讀寫器XC2910（工作頻段為920 MHz～925 MHz，最大功率為30 dBm）進行讀距離測試，RFID標簽在工作頻段內(nèi)最低諧振深度為-9.5 dBm，讀距離為2.6 m，性能完全滿足電子產(chǎn)品PCB模塊焊接、組裝、包裝、檢修等全流程的需求。由于該標簽天線是一款針對多種尺寸PCB進行設計的形式，從圖4可以看出，RFID標簽并非工作在讀寫器工作頻點，但是其性能已經(jīng)滿足對PCB產(chǎn)品的識別和跟蹤，而且省去了對多個不同尺寸的PCB載RFID標簽進行設計的復雜度，同時占用較小的PCB面積。為了說明其他尺寸PCB板使用該RFID標簽天線設計形式的效果，增加不同PCB大小的樣品進行測試實驗（見表1）。

表1所示為在不同尺寸的PCB長邊上進行40 mm×1 mm凈空面積設計RFID標簽天線并測試其性能參數(shù)，從表1可以看出：

當PCB的長邊尺寸大于90 mm 時，使用40 mm×1 mm凈空面積設計RFID標簽天線，采用XC2910便攜式讀寫器讀標簽，讀距離可大于2 m；當PCB的長邊尺寸小于70 mm時，使用40 mm×1 mm凈空面積設計RFID標簽天線，標簽讀距離迅速下降至60 cm左右；PCB表面增加元器件，對靈敏度效果有影響，但是從測試結果看，影響不明顯。PCB載RFID標簽天線設計時，需要注意：RFID標簽天線設計到PCB的GND層，對于單層或雙層板，可以在凈空面積內(nèi)部引出pad焊接芯片；對于多層PCB板，GND層通常在中間層，PCB的頂層或者底層空白處通常會覆銅并通過過孔連接到GND層，此時需要在PCB表面層進行天線設計最佳；對于多層PCB板，如果PCB的表面無大面積的GND層，那么可以在GND層進行標簽天線設計，此時需要使用過孔將GND層的饋電點引出的頂層或者底層，方便芯片焊接，即在產(chǎn)品PCB設計時完成RFID標簽天線設計。產(chǎn)品在PCB 進行SMT（表面貼裝技術）貼片工藝時將標簽芯片貼片焊接即可，完成了RFID標簽的制造。

圖4 98 mm×50 mm大小的PCB板載RFID標簽靈敏度掃描曲線

表1 PCB長邊凈空面積40 mm×1 mm天線設計

由于該PCB載RFID電子標簽與電子產(chǎn)品設計和制造同步，因此，PCB載電子標簽耐高溫、耐清洗、防靜電、可靠性較好；該電子標簽設計不需要消耗其他的物料及工藝，節(jié)省了標簽天線生產(chǎn)的成本，標簽成本控制僅僅為RFID標簽芯片。

4 結論

實際應用時，需要考慮芯片的封裝形式，芯片封裝形式越小，價格越低，而且在較小的凈空面積內(nèi)天線設計空間越大。另外，由于XC2910天線增益較低，因此根據(jù)具體應用場景，讀寫器可更換為XC2900或者其他高增益的桌面讀寫器，在相同的輸出功率下，則讀寫距離更遠。本文針對PCB板載RFID標簽天線設計的特殊性，在盡量少占用PCB面積的基礎上進行了RFID標簽天線設計，使得PCB成為一款可追溯的智能PCB，最終便于產(chǎn)品進行全流程生命周期的跟蹤和管理.