载有RFID的PCB设计实现

杨跃胜 武岳山

（深圳市远望谷信息技术股份有限公司，广东 深圳 518057 ）

常见的电子产品由焊接的芯片、电容和电阻的一块或多块印制电路板（PCB）组装而成。现阶段电子产品在模块、整机、包装、仓储物流等环节跟踪和记录通常采用二维码实现，完成产品生产环节的识别及跟踪过程需要多次粘贴条形码，耗时费力；靠条形码识别的PCB产品，如果摆放位置偏差，导致漏读和错读问题严重，且每次只能读取一个条形码；电子产品维修过程中存在破损和沾污的情况，使得采用条形码识别和跟踪的PCB产品制造精细化管理存在困难。RFID（Radio Frequency identification，射频识别）技术具有抗油污、读写距离远、多标签识读等特点，与PCB的结合可实现对电子产品全生命周期的跟踪识别。

文献[1]中，将RFID标签设计到电能表的PCB上，实现产品的生产透明化及信息管理清晰化，但是该标签天线设计需要根据不同的产品进行不同的匹配和设计，读写距离仅仅几十厘米，对于其他应用无法普及；文献[2]中采用印刷天线的形式设计标签天线，提高了读写距离，但该天线设计形式占用较多PCB面积，应用范围受到极大的限制；文献[3]提出了在PCB边缘进行RFID天线设计，避免了在PCB上粘贴RFID标签，降低了标签成本，但是天线采用弯折缝隙线实现，占用PCB板面积较大，匹配较困难。

本文结合现阶段制造电子产品的PCB组装、产品包装、物流、维修等环节信息化需求，在不影响PCB电路性能的基础上，尽量少的占用PCB的面积，提出基于RFID技术的智能PCB设计，测试结果表明，灵敏度及读写距离满足应用要求。

1 PCB载RFID标签天线结构

RFID电子标签由标签天线和芯片组成，芯片通常呈现容性，因此标签天线阻抗需要呈现一定的感性，进而与芯片阻抗共轭匹配，实现功率传输最大化。普通偶极子天线感抗较小，需要较大的面积才能实现与芯片阻抗匹配，为了在有限的面积内实现芯片阻抗匹配，普通偶极子天线上进行终端短路的短截线设计实现感性加载，图1所示为终端短路短截线感性加载示意图。

图1 终端短路的感性加载天线示意图

终端短路短截线实现标签天线感性加载，不仅可以增加RFID天线的感抗，同时可以大大提升标签的抗静电能力。从传输线理论可知，长度为的传输线输入阻抗的一般公式[4]，见式（1）。

式中为传输线的特性阻抗，串联在传输线末端的负载阻抗，由于终端短路的短截线其负载为0，根据式（1）可知，终端短路的短截线的输入阻抗式见式（2）。

从式（2）可知，天线呈现感性加载，且长度从0逐渐增加到时，感性加载逐渐增大，因此适当调整感性加载短截线的长度，进而实现天线阻抗虚部与芯片阻抗虚部匹配[5]。

为了尽量少占用PCB面积，将RFID标签天线设计到PCB的边缘，同时标签天线设计时充分使用PCB的GND层作为RFID标签的辐射天线。因此，对PCB板的GND层长边边缘部分开口，做出一定的净空面积，即净空面积内部除连接芯片的端子外，任何层均不可进行覆铜或者电路设计，如图2所示。

图2 净空面积内PCB各层设计禁区示意图

2 PCB载RFID标签天线仿真

根据PCB载RFID标签天线设计原理及图2所示的净空面积内天线设计注意事项，使用电磁仿真软件对单层、双层和多层板PCB板载RFID标签天线进行仿真，仿真结果发现：

（1）针对长边为100 mm左右的PCB板，净空面积越大，阻抗匹配越容易。考虑到尽可能少的占用PCB面积，实际应用时，净空面积放置到PCB长边边缘，净空面积内长边可以略长，但深入PCB内部宽度尽可能窄，可以根据应用频段进行净空面积的设计。针对900 MHz附近频段标签天线调试过程中，进行40 mm×1 mm、40 mm×2 mm、36 mm×2 mm净空面积实验，性能满足应用需求，考虑到净空面积不应占用较多PCB，因此可将净空面积设置为40 mm×1 mm。

（2）如果PCB面积较小，相对于长边也较短，可以采用延长开缝缝隙进行设计提高工作频段的灵敏度，但可能导致谐振深度不够，实际应用时综合考虑。

（3）仿真时采用40 mm×1 mm的净空面积设计PCB载RFID标签天线，单层板RFID标签灵敏度明显高于双层板或者多层板，而双层板灵敏度与多层板灵敏度差别较小。

（4）净空面积为40 mm×1 mm的标签天线，理论上如果PCB边长大于165 mm时，读写距离达到最大值，这与工作于900 MHz附近的半波偶极子天线相关，因此当PCB长边大于200 mm时读写性能将低于2 m，但考虑到PCB非GND（接地层）上的多个过孔与GND相连接，甚至其他层上大面积GND覆铜，导致此参数并不一致。针对PCB长边超过200 mm时，可以使用短边上进行净空面积设计开发PCB板载标签天线，亦或是通过增加净空面积的深度值，降低此效应的影响。

电磁波仿真过程中，仅仅可以在多层PCB之间打过孔来确认对标签性能的影响，但无法确认PCB板载RFID标签天线表面增加元器件，对灵敏度效果的影响，因此，需要实物打样测试进行确认。

3 PCB载RFID标签天线性能

PCB载RFID标签打样测试时，标签芯片采用远望谷公司研发的EPC协议C43芯片，标签天线设计时，尽量减少对原PCB面积的占用，图3所示为某产品PCB板表面天线设计形式示意图，PCB表面包含诸多电子线路及相关元器件。

图3 PCB载RFID标签天线设计尺寸及形式

从图3可以看出，PCB载RFID标签天线设计仅仅占用PCB的长边边缘40 mm×1mm净空面积，芯片馈电点置于PCB顶部边缘，芯片的RF脚和GND脚分别通过0.3 mm～0.5 mm的覆铜与PCB的GND层（天线辐射端）电连接，即完成了PCB载RFID标签天线设计，图4所示为该PCB载RFID标签天线焊接C43芯片之后灵敏度扫描曲线。

从图4可以看出，该PCB载RFID标签天线谐振频率为970 MHz，谐振深度为-12.5 dBm，使用远望谷生产的便携式小型读写器XC2910（工作频段为920 MHz～925 MHz，最大功率为30 dBm）进行读距离测试，RFID标签在工作频段内最低谐振深度为-9.5 dBm，读距离为2.6 m，性能完全满足电子产品PCB模块焊接、组装、包装、检修等全流程的需求。由于该标签天线是一款针对多种尺寸PCB进行设计的形式，从图4可以看出，RFID标签并非工作在读写器工作频点，但是其性能已经满足对PCB产品的识别和跟踪，而且省去了对多个不同尺寸的PCB载RFID标签进行设计的复杂度，同时占用较小的PCB面积。为了说明其他尺寸PCB板使用该RFID标签天线设计形式的效果，增加不同PCB大小的样品进行测试实验（见表1）。

表1所示为在不同尺寸的PCB长边上进行40 mm×1 mm净空面积设计RFID标签天线并测试其性能参数，从表1可以看出：

当PCB的长边尺寸大于90 mm 时，使用40 mm×1 mm净空面积设计RFID标签天线，采用XC2910便携式读写器读标签，读距离可大于2 m；当PCB的长边尺寸小于70 mm时，使用40 mm×1 mm净空面积设计RFID标签天线，标签读距离迅速下降至60 cm左右；PCB表面增加元器件，对灵敏度效果有影响，但是从测试结果看，影响不明显。PCB载RFID标签天线设计时，需要注意：RFID标签天线设计到PCB的GND层，对于单层或双层板，可以在净空面积内部引出pad焊接芯片；对于多层PCB板，GND层通常在中间层，PCB的顶层或者底层空白处通常会覆铜并通过过孔连接到GND层，此时需要在PCB表面层进行天线设计最佳；对于多层PCB板，如果PCB的表面无大面积的GND层，那么可以在GND层进行标签天线设计，此时需要使用过孔将GND层的馈电点引出的顶层或者底层，方便芯片焊接，即在产品PCB设计时完成RFID标签天线设计。产品在PCB 进行SMT（表面贴装技术）贴片工艺时将标签芯片贴片焊接即可，完成了RFID标签的制造。

图4 98 mm×50 mm大小的PCB板载RFID标签灵敏度扫描曲线

表1 PCB长边净空面积40 mm×1 mm天线设计

由于该PCB载RFID电子标签与电子产品设计和制造同步，因此，PCB载电子标签耐高温、耐清洗、防静电、可靠性较好；该电子标签设计不需要消耗其他的物料及工艺，节省了标签天线生产的成本，标签成本控制仅仅为RFID标签芯片。

4 结论

实际应用时，需要考虑芯片的封装形式，芯片封装形式越小，价格越低，而且在较小的净空面积内天线设计空间越大。另外，由于XC2910天线增益较低，因此根据具体应用场景，读写器可更换为XC2900或者其他高增益的桌面读写器，在相同的输出功率下，则读写距离更远。本文针对PCB板载RFID标签天线设计的特殊性，在尽量少占用PCB面积的基础上进行了RFID标签天线设计，使得PCB成为一款可追溯的智能PCB，最终便于产品进行全流程生命周期的跟踪和管理.