?

UHF無源RFID小型化寬頻帶布草洗滌標簽設計

2019-11-07 11:11:17 移動通信 2019年9期

楊躍勝 武岳山

【摘? 要】依據電感耦合饋電結構寬頻帶天線理論,分別設計洗滌標簽輻射天線和耦合環天線,仿真結果表明,標簽具有寬頻帶、高靈敏度、天線阻抗易調節優點。標簽采用布草作為輻射天線基底,印刷電路板實現雙層饋電環,芯片綁定到饋電環后膠封實現片芯,實際加工洗滌標簽樣品并進行小批量生產,標簽滿足小型化、可批量生產要求,具有良好的一致性,可通過300次嚴苛的洗滌環境測試,性能超越市面現有洗滌標簽。

【關鍵詞】RFID;布草;洗滌標簽;UHF;小型化;寬頻帶

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.017? ? ? ? 中圖分類號:TN99

文獻標志碼:A? ? ? ? 文章編號:1006-1010(2019)09-0092-05

引用格式:楊躍勝,武岳山. UHF無源RFID小型化寬頻帶布草洗滌標簽設計[J]. 移動通信, 2019,43(9): 92-96.

Design of Miniaturized Broadband Linen Washing Label Based on Passive UHF RFID

YANG Yuesheng, WU Yueshan

[Abstract]?According to the broadband antenna theory of inductively coupled feed structure, the washing label radiation antenna and coupling ring antenna are respectively designed. The simulation results show that the label has the advantages of broad frequency band, high sensitivity and easy adjustment of antenna impedance. The label antenna is sewed to the linen. The feed ring is corroded to the double layer printed circuit board (PCB). The chip is bonded to the feed ring and covered with glue. The washing label sample is actually processed and produced in a small batch. The label meets the requirements of miniaturized and massive production. It has good consistency and can be tested through 300 strict washing conditions. The performance ouperforms the existing washing label on the market.

[Key words]RFID; linen; washing label; UHF; miniaturization; broadband

1? ?引言

多年來,射頻識別(RFID, Radio Frequency Identification)技術在交通、物流和資產管理等方面取得了長足發展,隨著該技術與其他領域技術的融合與創新應用,RFID技術進入人們生活的方方面面,尤其在布草管理方面逐漸得到使用和穩定發展。RFID技術應用于布草洗滌管理,對布草的全流程生命周期進行監控,準確了解布草質量,監控布草清洗流程,為布草洗滌方(洗滌公司)、布草使用方(酒店、醫院、鐵路公司等)、布草生產方(布草生產公司)提供準確的、可追溯的數據信息,實現智能布草。

智能布草是將基于RFID技術的電子標簽縫制到布草上實現管理。布草標簽不同于普通的電子標簽,由于需要經過生命周期中的數百次高溫洗滌、高溫烘烤熨燙、高壓和高堿性環境,而且標簽不能影響布草使用的舒適性,因此布草標簽天線的設計形式有其特殊性。市面上現有洗滌標簽通常為尼龍網布基材標簽和硅膠基材標簽,尼龍網布基材標簽通常為85 mm以上,面積較大,縫制到布草邊緣受限制,影響美觀舒適性;硅膠基材標簽通常為60 mm左右,柔軟舒適,但耐受洗滌能力較弱,通常150次以內已起包磨損開膠。文獻[1]提出用于服裝管理的標簽,雖然物流管理有所保障,但柔軟舒適性不足,耐受洗滌能力有限;文獻[2]提出標簽天線采用T型匹配天線結構,織物表面噴涂天線,但洗滌后標簽無法讀取;文獻[3]研究耐水洗型UHF RFID標簽時,在芯片處涂抹保護層,但受單層布料結構影響,涂層在洗滌中嚴重破壞,無法起到保護芯片作用;文獻[4]和文獻[5]中采用銀漿油墨進行絲網印刷天線,后者在布草表面涂抹聚酯樹脂固定天線,但洗滌7次后性能均下降明顯,無法滿足洗滌次數要求。本文重點對布草洗滌標簽基材和天線設計進行分析和研究,滿足布草洗滌環境需求。

2? ?標簽天線結構及設計原理

布草洗滌過程中需要多次的沖刷和揉搓,同時要保證標簽性能穩定,因此,布草洗滌標簽天線采用電感耦合方式,饋電小環天線和輻射天線無電連接,標簽易于實現寬頻帶特性。

電感耦合饋電天線結構的一般形式如圖1所示:

該天線包括一個獨立的輻射主體和一個饋電環,天線輻射體采用一段金屬線或者具有一定寬度的輻射貼片,其具體形式多種多樣,芯片焊接到饋電環上。饋電環和輻射體之間的耦合強度主要受兩個因素影響:其一,天線輻射體和矩形饋電環之間的間隙d,間隙越小,耦合強度越強,反之成立;其二,饋電環的尺寸大小亦影響兩者之間的耦合強度,耦合強度的大小對天線性能的影響可以由天線的輸入阻抗來反映和分析。

圖2為電感耦合饋電標簽天線等效電路模型[6]:

從文獻[6]可知,當天線工作在諧振頻率f0時,即f=f0,天線饋電口處輸入阻抗為:

Zin=Rin+jXin=(2πfm)2/Rr+j2πfLloop(1)

式中M表示天線輻射體和饋電環之間的互感,表征兩者之間的耦合強度;Lloop表示饋電環本身的電感值;Rr表示天線的諧振頻率附近的輻射電阻。

從天線饋電口輸入阻抗表達式知:天線輸入阻抗的實部受到天線輻射體與饋電環之間的耦合系數及天線輻射體自身的輻射電阻控制,而天線輸入阻抗虛部則取決于饋電環本身電感值的大小,因此,天線輸入阻抗的實部和虛部獨立可控。選擇尺寸適當的饋電環,抵消芯片阻抗的虛部,然后調節饋電環與天線輻射體之間的間隙或者改變輻射體的尺寸,獲得合適的實部,最終實現天線與芯片阻抗共軛匹配[7]。為了節省天線的尺寸,通常采用彎折線設計輻射體,與電感饋電結構標簽天線一般形式相比,引入彎折線之后,輻射體上的每個彎折處引入了電抗,影響天線的整體電抗值,設計時需靈活調節天線輻射體彎折處寬度,獲得適當的電抗值。

3? ?天線尺寸仿真和結果

文獻[7]和文獻[8]針對理論進行仿真,理論和仿真結果吻合。考慮到洗滌標簽應用環境特殊性,保證標簽性能前提下,標簽越小越好。根據性能要求及市場前端反饋,標簽大小為59 mm×15 mm,標簽天線大小為55 mm×11 mm,芯片饋電環天線采用直徑為5 mm的PCB進行設計,天線設計圖如圖3所示:

饋電環天線采用雙層PCB實現,頂層環最小,底層為雙環結構增加電感值,頂層和底層環通過過孔進行連接。為減小標簽面積,輻射體采用彎折線實現;為增加耦合效果,提升標簽的帶寬,輻射體兩個端子中間為半圓環結構;PCB上的饋電環邦定芯片后膠封,放置到輻射體的開口圓環內部,通過調節輻射體圓環半徑,調節耦合系數,進而調整天線帶寬。

由天線仿真可知:頂層饋電環天線的小環半徑越小,諧振頻率越高;底層饋電環天線的小環半徑增大,諧振頻率向低頻方向偏移,反之成立。輻射天線線寬設置為1 mm,饋電環天線線寬為0.3 mm,設置c1為饋電環頂層小環直徑,c2為饋電環底層內小環直徑,c3為饋電環底層外小環直徑,優化后,該天線仿真尺寸參數如表1所示:

圖4所示為天線回波損耗S11值,該標簽天線帶寬較寬,860 MHz—960 MHz阻抗虛部變化較小,全頻段內靈敏度優于-22 dBm,諧振頻率為915 MHz左右,諧振深度為-34 dBm。仿真結果代表變化趨勢,實際應用環境受多個因素影響,結果會發生微小變化。

4? ?實際天線樣品及測試

為適應布草洗滌環境和減少標簽對布草舒適度的影響,標簽表面材質選擇致密棉纖維布,將金屬絲束繞制的天線采用縫紉機工作模式設備按照表1尺寸縫制到30 mm寬度的棉纖維布上,天線只能覆蓋棉纖維布寬度的一半,便于后續折疊。在0.8 mm厚度5 mm直徑圓片PCB上加工饋電環天線,線寬均為0.3 mm,通過優化,實際加工時饋電環頂層小環直徑為2.3 mm,底層內環直徑尺寸為3.3 mm,底層外環直徑尺寸為4.3mm,將NXP Ucode7芯片綁定到饋電環后膠封,形成片芯。生產洗滌標簽時,將片芯放置到輻射天線的開口耦合環內部即可,使用轉移膠將紡線布對折,標簽天線和芯片包裹到雙層棉纖維布內部,形成布草標簽,布草洗滌標簽圖片、標簽天線和“片芯”如圖5所示:

使用Voyantic標簽測試儀,在空氣中和T恤衫介質中(模擬布草)進行靈敏度掃描,圖6所示為該洗滌標簽在空氣中、10件T恤衫中和20件T恤衫中進行靈敏度掃描的結果。

從圖6可知,該標簽在空氣介質中,860 MHz—960 MHz全頻段靈敏度優于-11.5 dBm,國內應用頻段920 MHz附近靈敏度為-11.5 dBm,空氣介質中標簽主要應用在發卡時寫入信息,通常為抵近寫入,因此該標簽空氣介質中全頻段靈敏度性能優異。標簽應用環節會放入使用的介質中,這樣才能體現該標簽天線的性能,為此分別將標簽放置于10件(標簽上下各5件T恤衫)和20件(標簽上下各10件T恤衫)T恤衫介質環境中,860 MHz到960 MHz全頻段靈敏度優于-8 dBm,國內應用920 MHz附近靈敏度為-13.3 dBm,因此該標簽在布草內部滿足全頻段應用,尤其針對歐頻、美頻和國內920 MHz—925 MHz頻段時性能更加優異。

該標簽進行小批量生產后,在實驗室對洗滌環境進行模擬測試,每次循環將標簽浸入80℃水中2小時、80℃環境模擬烘干半小時和190℃的模擬熨燙5秒鐘,標簽在如此嚴格的測試條件下100次循環測試,性能穩定,外觀無明顯形變。為確保PCB饋電環部分不分層,將該標簽放入水中240小時,過程中間進行50次100℃水沖擊,標簽取出晾干后性能穩定,膠封的PCB小環未發現異常,植入標簽輻射天線環內,標簽性能正常。為確保大型洗滌廠進行壓榨脫水環節(洗滌廠現有壓力值均低于40 bar)對芯片的損壞,實驗室采用40 bar壓力對203枚標簽進行循環200次模擬壓榨脫水,測試完成后進行多標簽讀寫測試,所有標簽均正常讀寫,“片芯”可承受模擬壓力測試。

為充分驗證標簽在洗滌廠的生命周期情況,使用200個樣品標簽在洗滌廠進行實際使用環境檢驗,標簽可滿足300次的嚴苛洗滌環境測試,性能穩定,滿足布草應用的生命周期需求。

5? ?結束語

本文采用布草為標簽基板,將金屬線束按照天線樣式縫制到布草上,實現洗滌標簽天線,雙層PCB加工饋電環,芯片綁定后形成“片芯”,最終設計了一款可以經受數百次的耐高溫耐高壓環境的小型化寬頻帶洗滌標簽,通過空氣和布草介質靈敏度檢驗測試、批量生產和環境模擬測試、批量洗滌廠環境測試,與現有尺寸類似洗滌標簽相比,性能提升明顯,可以滿足全頻段應用。

參考文獻:

[1] Kim T H, Park D C. CPW-fed compact monopole antenna for dual-band WLAN applications[J]. Electronics Letters, 2005,41(6): 291-293.

[2] Heikkinen J J, Laine-Ma T T, Kivikoski M. Flexible fabric-base patch antenna with protective coating[C]//Antennas and Propagation Society International Symposium. IEEE, 2007: 4168-4171.

[3] 鄭義芬. 導電油墨與RFID天線印刷[J]. 射頻世界, 2009(5): 32-34.

[4] Virkki J, Bjorninen T, Merlampi S, et al. The effects of recurrent stretching on the performance of electro-textile and screen-printed ultra-high-frequency radio-frequency identification tafs[J]. Texitile research Journal, 2015, 85(3): 294-301.

[5] Fu Y Y, Chan Y L, Yang M H, et al. Experimental study on the washing durability of electro-textile UHF RFID tags[J]. IEEE Antennas and wireless Propagation Letters. 2015(14): 466-469.

[6] 李國豪. 織物基絲網印制RFID標簽天線的固化條件及耐機械作用性能研究[D]. 上海: 東華大學, 2017.

[7] 章偉,甘泉. UHF RFID標簽天線設計、仿真及實踐[M]. 北京: 電子工業出版社, 2012.

[8] 楊躍勝,武岳山. 電感耦合饋電偶極子標簽天線阻抗調試分析[J]. 移動通信, 2017,41(18): 80-84.

[9] 褚慶昕,曾銳華. 適用于多標準的超高頻寬帶RFID標簽天線[J]. 華南理工大學學報:自然科學版, 2011(5): 1-5.

[10] 齊冉冉. 基于RFID的醫院布草洗滌系統研究和設計[D]. 濟南: 山東科技大學, 2014.

[11] 馬天宇,劉正東. 基于NFC的服裝水洗標設計與研究[J]. 北京服裝學院學報:自然科學版, 2017(4): 41-47.★

?
(function(){ var bp = document.createElement('script'); var curProtocol = window.location.protocol.split(':')[0]; if (curProtocol === 'https') { bp.src = 'https://zz.bdstatic.com/linksubmit/push.js'; } else { bp.src = 'http://push.zhanzhang.baidu.com/push.js'; } var s = document.getElementsByTagName("script")[0]; s.parentNode.insertBefore(bp, s); })();
新时时彩走势