一種超高頻RFID工業洗衣標簽設計

姜學康，陶 波，孫 虎

（華中科技大學數字制造裝備與技術國家重點實驗室，湖北 武漢430074）

0 引言

近年來，射頻識別技術的興起，給倉儲、物流和制造等行業帶來了前所未有的革新。RFID是一種非接觸的自動識別技術，具有防水防磁、工作壽命長、讀寫距離遠、讀寫速度快和數據容量大等優點。一個典型的RFID系統應該包括射頻標簽（tag）和讀寫器（reader），射頻標簽置于被標識物上，通過空間耦合傳輸特性，與讀寫器通信，實現對物品的自動識別［1］。目前，市面上針對印染行業、洗滌行業和醫療后勤等專業領域已有不少種類的RFID洗衣標簽，服裝廠、工礦企業、賓館、酒店和醫院等的洗衣房使用工業洗衣機清洗大量員工制服，能夠減輕勞動強度，提高工作效率，降低能耗。使用RFID技術對制服進行標識，能夠更好地進行管理。

市面上現存的洗衣標簽大多是高頻標簽，工作頻率在13．56 MHz附近，但是高頻標簽的實際讀寫距離在10 cm左右，大部分情況下仍需人工近距離讀寫，不能滿足現代企業自動化管理的需求，而讀寫距離較遠的超高頻（UHF）的標簽用于工業洗衣將成為未來的趨勢。全球超高頻RFID工作頻率范圍是840～956 MHz。由此可見，設計出一款讀寫距離在1 m以上、工作頻帶較寬的洗衣標簽天線，對于減少重復設計、降低成本是很有意義的。同時，工業洗衣機的原理是電機通過皮帶變速帶動內膽在時序控制器作用下正反旋轉，帶動水和衣物作不同步運動，使水和衣物等相互摩擦、揉搓，達到洗凈的目的，因此，設計出來的洗衣標簽，在考慮簡化結構的同時，還要有一定的抗彎折的性能。為此，在引用部分實際成果的基礎上，設計出一款寬頻帶的洗衣標簽，并驗證其抗彎折的性能。

1 非對稱偶極子天線設計

1．1 天線設計

偶極子天線是一種自諧振天線，這里選擇半波偶極子天線作為標簽天線，半波偶極子天線通常由2根長度相等的振子組成，每根導線的長度是四分之一個工作波長。

半波偶極子天線沒有副瓣產生，天線的方向性更好，更具有優勢。按照公式計算，選用的超高頻設計方案中，標簽的工作頻率約為915 MHz，半波偶極子天線的單個振子長度為：

單個振子長度約為81．9 mm，也就是說天線長度約為163 mm，這樣的偶極子天線長度太長，不能應用到實際工業中，需解決天線的小型化設計。偶極子天線通常采用彎折的方法來縮小尺寸。同時為了簡化制造工藝、降低成本，采用在天線上附加阻抗匹配結構來代替外加電容電感，以進行阻抗匹配，本標簽采用的方法是T型阻抗匹配。在保證了讀寫距離滿足要求的情況下，將天線振子設計為反對稱型。提出的洗衣標簽的天線結構如圖1所示。

圖1 天線與基板CAD設計

彎折振子之后天線總長度縮小了一倍多，同時保證有效電長度接近160 mm，并且非對稱的偶極子設計比起常規的對稱天線增益性能更好、回波損耗低、全向特性更好，并且有更大的工作帶寬［2］。在設計好天線后，將天線與芯片互連，在基板上形成Inlay，并用硅膠進行良好的封裝。

1．2 天線性能關鍵參數

洗衣標簽的設計有3個需求：讀寫距離遠，有一定的抗彎折性能，并有較大的工作帶寬。對于超高頻標簽，天線的增益和芯片的阻抗匹配是決定性能的重要參數，因此，對于帶寬的要求，主要針對標簽在不同工作頻率下天線的增益和阻抗匹配參數進行分析，而對讀寫距離和彎折性能的要求，也進行理論分析和實物測試。

2 洗衣標簽性能分析與仿真

2．1 讀寫距離分析

超高頻RFID標簽的讀寫距離為：

R為讀寫器與標簽的工作距離；λ為標簽天線的工作波長，取330 mm；Pr為讀寫器發射功率；Gr為讀寫器天線的發射增益；p為標簽天線與讀寫器天線的極化方式不同而產生的極化損失，只與天線的極化方式有關，取3 dBi；Gt為RFID標簽天線的增益；τ為功率傳輸系數，本標簽約為0．50；PtagTH為要使芯片啟動工作的最小激活功率，H3取值為－18 d Bm。理論計算設計的洗衣標簽在915 MHz的讀寫距離約為2．91 m。

2．2 彎折性能分析

由式（2）可知，標簽天線的工作頻率一定，所以對應的工作波長是一個定值；Pr，Gr，p根據讀寫器的選定而不會發生變化，認為是定值；在芯片選型后，PtagTH也是一個定值。

RFID標簽天線的增益為：

k為天線輻射效率；D為天線的方向性系數。天線的方向性系數本來就和標簽角度有關，因此，標簽在發生彎折情況下，天線的增益Gt肯定會改變。

功率傳輸系數為：

在標簽彎折的條件下，標簽天線的阻抗Zt會因為天線基板變形而發生變化，而芯片的阻抗Za是保持不變的，所以在基板變形的情況下功率傳輸系數τ必然會發生變化。因此，對于洗衣環境下標簽彎折的情況，會通過Gt和τ影響到洗衣標簽的讀寫距離［3－4］。彎折后的讀寫距離為：

2．3 頻率仿真結果分析

洗衣標簽的簡化仿真模型如圖2所示。

圖2 洗衣標簽仿真模型

Alien H3芯片的等效電容為0．85 p F，等效電阻為1 500Ω，算出在915 MHz附近的芯片輸出阻抗約為27－200jΩ；標簽仿真模型里上下兩層硅膠封裝層厚度為1．5 mm，介電常數取4．0；FPC基板層厚度為0．15 mm，介電常數取3．1；天線層為銅層，厚度為0．018 mm。仿真頻率范圍為800～1 200 MHz。

RFID天線的仿真，需要借助于仿真軟件Zeland IE3D，建立相關模型，來得到天線的相關參數。IE3D是應用非常廣泛的矢量法的電磁仿真軟件，自第12版引入了共軛匹配等天線參數，對于超高頻RFID標簽有很好的針對性，具有較高的計算精度，更適合平面天線設計。在IE3D中設置好仿真模型和參數后，得到的仿真結果如圖3所示。

圖3 阻抗匹配系數與頻率關系曲線

阻抗匹配系數CMF是描述芯片和天線的阻抗匹配程度。由圖3看出，在860～1 100 MHz范圍內CMF有2個峰值，且均在－3 dBi以上，表明芯片和天線能夠在這個范圍內很好的匹配。

在IE3D中，以共軛匹配增益CMG表示天線與標簽匹配之后的增益，共軛匹配增益與頻率關系曲線如圖4所示。915 MHz附近的共軛匹配增益為－1．7 d Bi，且CMG 在860～1 050 MHz范圍內都在－1．8 dBi以上，滿足大帶寬的設計要求。

洗衣標簽的方向圖如圖5所示，可見洗衣標簽方向性較好，符合標簽設計要求。

由仿真結果可以看出，設計的洗衣標簽能夠在很大的頻率范圍內與芯片得到較好的阻抗匹配，性能優異，能夠滿足前文提到的不同標準下超高頻RFID系統的要求，能得到較大的讀寫距離。為了實際驗證仿真結果，將設計好的洗衣標簽制作實物并進行測試。

圖4 共軛匹配增益與頻率關系曲線

圖5 天線的二維方向圖

3 洗衣標簽制作與測試

3．1 洗衣標簽制作

洗衣標簽選用的RFID芯片為Alien公司的Higgs－3。Alien H3的超高頻芯片非常靈敏，配合天線設計能夠在較低的功率提供足夠的反射信號，保證讀寫距離，且工作頻率在860～960 MHz之間，范圍較大。

標簽基本選用FPC柔性基板，天線制作工藝選用電鍍銅質天線。電鍍法比起刻蝕法，避免了大量金屬的浪費，對環境也更加友好，同時采用沉金的表面處理工藝，更好地抑制銅天線的氧化性，保證電學性能。

芯片封裝采用引線鍵合工藝，并用電子灌封膠進行密封和保護。

Inlay封裝采用硅膠復合封裝，硅膠的化學性質穩定，對洗衣環境中洗衣液體有很好的耐腐蝕性。好的封裝能夠保證設計出的洗衣標簽適應工業洗衣機比較惡劣的環境，提高標簽性能［5］。

3．2 讀寫距離測試

根據設計的天線和工藝制作了標簽樣品，為了測試洗衣標簽的效果，將制作的標簽分為5組，每組10個測量讀寫距離并取平均值，讀寫器選用手持式讀寫器Atid－570，EIRP為30 d Bm，天線為圓極化天線，測試環境為開闊的室外。結果如表1所示。

表1 洗衣標簽讀寫距離測試結果

實際環境下考慮到損耗和環境因素影響，讀寫距離會有下降。測試結果表明，設計的洗衣標簽的讀寫距離，在較小功率的手持讀寫器下，保持在2 m左右，遠遠超出了1 m的設計要求。

3．3 彎折性能測試

針對彎折情況可能對標簽讀寫距離造成的影響，將上述設計好的標簽試制了樣品并進行彎折性能測試。測試結果如表2所示。

表2 洗衣標簽彎折性能測試

圖6 標簽彎折

其中，彎折角度β＝180°－α，如圖6所示。由測試結果可以看出，設計的RFID洗衣標簽天線的諧振頻率基本不隨彎折而改變，因此，工作帶寬也基本不變；讀寫距離性能在彎折小于90°時改變較小，在彎折角度大于90°時出現一個大的下降。考慮到洗衣環境中標簽不太可能出現大于90°的彎折，所以設計的洗衣標簽是滿足要求的。

4 結束語

針對工業洗衣用途的標簽，選取了超高頻方案，設計了一種小尺寸的非對稱偶極子的RFID天線，讀取距離遠，帶寬較寬，能適應不同標準下的超高頻RFID系統頻段，并且分析了在工業洗衣環境下標簽彎折可能對性能帶來的影響，主要體現在通過天線增益和功率傳輸系數影響標簽的讀寫距離。在天線的制作方法上選擇了可靠性較高的電鍍方案和WireBonding芯片封裝工藝，并進行了硅膠外層的封裝。制成標簽成品后，通過實驗測試了其抗彎折的性能，在彎折小于90°的情況下標簽性能基本不變，保證了設計出的洗衣標簽能適應洗衣工作環境。洗衣標簽已經成功交付一家RFID產品企業并投放市場，獲得成功的應用。

［1］ Landt J．The history of RFID［J］．IEEE Potentials，2005，24（4）：8－11．

［2］ 王元坤，李玉權．線天線的寬頻帶技術［M］．西安：西安電子科技大學出版社，1995．

［3］ 周 祥，宋雪樺．標簽天線彎曲對射頻識別系統性能影響的研究［J］．微波學報，2005，21（S1）：96－100．

［4］ Xu L，Hu B J，Wang J．UHF RFID tag antenna with broadband characteristic［J］．Electronics Letters，2008，44（2）：79－80．

［5］ 陳苑明．物聯網RFID標簽天線制作技術與工藝研究［D］．成都：電子科技大學，2011．