一种超高频RFID工业洗衣标签设计

姜学康，陶 波，孙 虎

（华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室，湖北 武汉430074）

0 引言

近年来，射频识别技术的兴起，给仓储、物流和制造等行业带来了前所未有的革新。RFID是一种非接触的自动识别技术，具有防水防磁、工作寿命长、读写距离远、读写速度快和数据容量大等优点。一个典型的RFID系统应该包括射频标签（tag）和读写器（reader），射频标签置于被标识物上，通过空间耦合传输特性，与读写器通信，实现对物品的自动识别［1］。目前，市面上针对印染行业、洗涤行业和医疗后勤等专业领域已有不少种类的RFID洗衣标签，服装厂、工矿企业、宾馆、酒店和医院等的洗衣房使用工业洗衣机清洗大量员工制服，能够减轻劳动强度，提高工作效率，降低能耗。使用RFID技术对制服进行标识，能够更好地进行管理。

市面上现存的洗衣标签大多是高频标签，工作频率在13．56 MHz附近，但是高频标签的实际读写距离在10 cm左右，大部分情况下仍需人工近距离读写，不能满足现代企业自动化管理的需求，而读写距离较远的超高频（UHF）的标签用于工业洗衣将成为未来的趋势。全球超高频RFID工作频率范围是840～956 MHz。由此可见，设计出一款读写距离在1 m以上、工作频带较宽的洗衣标签天线，对于减少重复设计、降低成本是很有意义的。同时，工业洗衣机的原理是电机通过皮带变速带动内胆在时序控制器作用下正反旋转，带动水和衣物作不同步运动，使水和衣物等相互摩擦、揉搓，达到洗净的目的，因此，设计出来的洗衣标签，在考虑简化结构的同时，还要有一定的抗弯折的性能。为此，在引用部分实际成果的基础上，设计出一款宽频带的洗衣标签，并验证其抗弯折的性能。

1 非对称偶极子天线设计

1．1 天线设计

偶极子天线是一种自谐振天线，这里选择半波偶极子天线作为标签天线，半波偶极子天线通常由2根长度相等的振子组成，每根导线的长度是四分之一个工作波长。

半波偶极子天线没有副瓣产生，天线的方向性更好，更具有优势。按照公式计算，选用的超高频设计方案中，标签的工作频率约为915 MHz，半波偶极子天线的单个振子长度为：

单个振子长度约为81．9 mm，也就是说天线长度约为163 mm，这样的偶极子天线长度太长，不能应用到实际工业中，需解决天线的小型化设计。偶极子天线通常采用弯折的方法来缩小尺寸。同时为了简化制造工艺、降低成本，采用在天线上附加阻抗匹配结构来代替外加电容电感，以进行阻抗匹配，本标签采用的方法是T型阻抗匹配。在保证了读写距离满足要求的情况下，将天线振子设计为反对称型。提出的洗衣标签的天线结构如图1所示。

图1 天线与基板CAD设计

弯折振子之后天线总长度缩小了一倍多，同时保证有效电长度接近160 mm，并且非对称的偶极子设计比起常规的对称天线增益性能更好、回波损耗低、全向特性更好，并且有更大的工作带宽［2］。在设计好天线后，将天线与芯片互连，在基板上形成Inlay，并用硅胶进行良好的封装。

1．2 天线性能关键参数

洗衣标签的设计有3个需求：读写距离远，有一定的抗弯折性能，并有较大的工作带宽。对于超高频标签，天线的增益和芯片的阻抗匹配是决定性能的重要参数，因此，对于带宽的要求，主要针对标签在不同工作频率下天线的增益和阻抗匹配参数进行分析，而对读写距离和弯折性能的要求，也进行理论分析和实物测试。

2 洗衣标签性能分析与仿真

2．1 读写距离分析

超高频RFID标签的读写距离为：

R为读写器与标签的工作距离；λ为标签天线的工作波长，取330 mm；Pr为读写器发射功率；Gr为读写器天线的发射增益；p为标签天线与读写器天线的极化方式不同而产生的极化损失，只与天线的极化方式有关，取3 dBi；Gt为RFID标签天线的增益；τ为功率传输系数，本标签约为0．50；PtagTH为要使芯片启动工作的最小激活功率，H3取值为－18 d Bm。理论计算设计的洗衣标签在915 MHz的读写距离约为2．91 m。

2．2 弯折性能分析

由式（2）可知，标签天线的工作频率一定，所以对应的工作波长是一个定值；Pr，Gr，p根据读写器的选定而不会发生变化，认为是定值；在芯片选型后，PtagTH也是一个定值。

RFID标签天线的增益为：

k为天线辐射效率；D为天线的方向性系数。天线的方向性系数本来就和标签角度有关，因此，标签在发生弯折情况下，天线的增益Gt肯定会改变。

功率传输系数为：

在标签弯折的条件下，标签天线的阻抗Zt会因为天线基板变形而发生变化，而芯片的阻抗Za是保持不变的，所以在基板变形的情况下功率传输系数τ必然会发生变化。因此，对于洗衣环境下标签弯折的情况，会通过Gt和τ影响到洗衣标签的读写距离［3－4］。弯折后的读写距离为：

2．3 频率仿真结果分析

洗衣标签的简化仿真模型如图2所示。

图2 洗衣标签仿真模型

Alien H3芯片的等效电容为0．85 p F，等效电阻为1 500Ω，算出在915 MHz附近的芯片输出阻抗约为27－200jΩ；标签仿真模型里上下两层硅胶封装层厚度为1．5 mm，介电常数取4．0；FPC基板层厚度为0．15 mm，介电常数取3．1；天线层为铜层，厚度为0．018 mm。仿真频率范围为800～1 200 MHz。

RFID天线的仿真，需要借助于仿真软件Zeland IE3D，建立相关模型，来得到天线的相关参数。IE3D是应用非常广泛的矢量法的电磁仿真软件，自第12版引入了共轭匹配等天线参数，对于超高频RFID标签有很好的针对性，具有较高的计算精度，更适合平面天线设计。在IE3D中设置好仿真模型和参数后，得到的仿真结果如图3所示。

图3 阻抗匹配系数与频率关系曲线

阻抗匹配系数CMF是描述芯片和天线的阻抗匹配程度。由图3看出，在860～1 100 MHz范围内CMF有2个峰值，且均在－3 dBi以上，表明芯片和天线能够在这个范围内很好的匹配。

在IE3D中，以共轭匹配增益CMG表示天线与标签匹配之后的增益，共轭匹配增益与频率关系曲线如图4所示。915 MHz附近的共轭匹配增益为－1．7 d Bi，且CMG 在860～1 050 MHz范围内都在－1．8 dBi以上，满足大带宽的设计要求。

洗衣标签的方向图如图5所示，可见洗衣标签方向性较好，符合标签设计要求。

由仿真结果可以看出，设计的洗衣标签能够在很大的频率范围内与芯片得到较好的阻抗匹配，性能优异，能够满足前文提到的不同标准下超高频RFID系统的要求，能得到较大的读写距离。为了实际验证仿真结果，将设计好的洗衣标签制作实物并进行测试。

图4 共轭匹配增益与频率关系曲线

图5 天线的二维方向图

3 洗衣标签制作与测试

3．1 洗衣标签制作

洗衣标签选用的RFID芯片为Alien公司的Higgs－3。Alien H3的超高频芯片非常灵敏，配合天线设计能够在较低的功率提供足够的反射信号，保证读写距离，且工作频率在860～960 MHz之间，范围较大。

标签基本选用FPC柔性基板，天线制作工艺选用电镀铜质天线。电镀法比起刻蚀法，避免了大量金属的浪费，对环境也更加友好，同时采用沉金的表面处理工艺，更好地抑制铜天线的氧化性，保证电学性能。

芯片封装采用引线键合工艺，并用电子灌封胶进行密封和保护。

Inlay封装采用硅胶复合封装，硅胶的化学性质稳定，对洗衣环境中洗衣液体有很好的耐腐蚀性。好的封装能够保证设计出的洗衣标签适应工业洗衣机比较恶劣的环境，提高标签性能［5］。

3．2 读写距离测试

根据设计的天线和工艺制作了标签样品，为了测试洗衣标签的效果，将制作的标签分为5组，每组10个测量读写距离并取平均值，读写器选用手持式读写器Atid－570，EIRP为30 d Bm，天线为圆极化天线，测试环境为开阔的室外。结果如表1所示。

表1 洗衣标签读写距离测试结果

实际环境下考虑到损耗和环境因素影响，读写距离会有下降。测试结果表明，设计的洗衣标签的读写距离，在较小功率的手持读写器下，保持在2 m左右，远远超出了1 m的设计要求。

3．3 弯折性能测试

针对弯折情况可能对标签读写距离造成的影响，将上述设计好的标签试制了样品并进行弯折性能测试。测试结果如表2所示。

表2 洗衣标签弯折性能测试

图6 标签弯折

其中，弯折角度β＝180°－α，如图6所示。由测试结果可以看出，设计的RFID洗衣标签天线的谐振频率基本不随弯折而改变，因此，工作带宽也基本不变；读写距离性能在弯折小于90°时改变较小，在弯折角度大于90°时出现一个大的下降。考虑到洗衣环境中标签不太可能出现大于90°的弯折，所以设计的洗衣标签是满足要求的。

4 结束语

针对工业洗衣用途的标签，选取了超高频方案，设计了一种小尺寸的非对称偶极子的RFID天线，读取距离远，带宽较宽，能适应不同标准下的超高频RFID系统频段，并且分析了在工业洗衣环境下标签弯折可能对性能带来的影响，主要体现在通过天线增益和功率传输系数影响标签的读写距离。在天线的制作方法上选择了可靠性较高的电镀方案和WireBonding芯片封装工艺，并进行了硅胶外层的封装。制成标签成品后，通过实验测试了其抗弯折的性能，在弯折小于90°的情况下标签性能基本不变，保证了设计出的洗衣标签能适应洗衣工作环境。洗衣标签已经成功交付一家RFID产品企业并投放市场，获得成功的应用。

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

［2］ 王元坤，李玉权．线天线的宽频带技术［M］．西安：西安电子科技大学出版社，1995．

［3］ 周 祥，宋雪桦．标签天线弯曲对射频识别系统性能影响的研究［J］．微波学报，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］ 陈苑明．物联网RFID标签天线制作技术与工艺研究［D］．成都：电子科技大学，2011．