柔性可拉伸UHF RFID标签的实现

钟 涛，金 宁，顾唯兵

(1.中国计量大学 信息工程学院，浙江 杭州 310018；2.中国科学院 苏州纳米技术与纳米仿生研究所，江苏 苏州 215000)

射频识别[1](Radio Frequency Identification, RFID)技术，是一种无线通信技术，可以通过空间无线射频信号自动识别特定的物体并对其读写相关数据信息。作为RFID技术中最为重要的载体，UHF RFID标签由于其特有的优势被广泛应用于交通、物流、防伪、零售、医疗等领域[2]。目前市场上的UHF RFID标签天线大多是通过蚀刻的方法制备的，该方法由于需要经过曝光、显影、蚀刻等多道工序使得生产效率较低，并且在其制备过程中产生大量的酸液和金属废液的排放对环境污染严重，不符合绿色环保的可持续发展理念。相对于传统的蚀刻RFID标签而言，印刷RFID标签的制作[3]由于其具有低成本、高效率、绿色环保等优点有望取代蚀刻RFID标签并逐渐走向上商业化。采用印刷法制作RFID标签还有一个最为显著的优点，即可以将RFID标签天线沉积到各种柔性基材上，比如说PET塑料、纸张、纺织面料等，从而更好地应用于物联网和可穿戴电子领域[4]。

将无源UHF RFID标签结合到布料等柔性基材上首先要考虑的是RFID标签的拉伸性，国内外许多专家已对可拉伸RFID标签进行了相关研究，并取得了一定的研究成果。VIRKKI J[5]等研究了反复拉伸对镀银电子织物RFID标签和印刷RFID标签性能的影响。CHEN X C[6]等提出了一种由导电织物制成的无源UHF RFID应变传感器标签，测量了RFID电子标签在不同拉伸状态下最大读取距离以及标签后向散射强度对RFID标签天线伸长的响应。CHEN X C[7]等还提出了一种由两部分天线辐射体(馈电环路和辐射天线)组成的可拉伸无源UHF RFID织物标签，RFID标签天线采用镀银(铜)电子织物天线和刺绣天线两种形式，并对其在反复拉伸100次后的标签性能进行了测试。RIZWAN M[8]等提出了一种柔性3D打印UHF RFID标签，并测试了拉伸数次后RFID标签读取距离的变化趋势。以上是可拉伸RFID标签的相关研究，大多数文献都是直接将镀铜或镀银可拉伸电子织物剪成面状RFID天线，然后将标签芯片绑定在铜片上，再用涂胶或者缝合的方式将铜片固定于面状RFID电子织物天线的馈电口两端以制成可拉伸RFID标签；然而很少有研究者采用印刷法直接在布料基底上印刷RFID标签天线以制成柔性可拉伸RFID标签。

基于以上背景，本文设计了一款基于半波偶极子天线的UHF RFID标签，并采用更为简单环保的印刷法制作出了以莱卡布料为基材的柔性可拉伸RFID标签，标签在反复拉伸后的工作性能优于国外文献报道的结果。

1 RFID标签的选型

1.1 标签芯片输入阻抗分析

RFID标签一般由标签芯片和标签天线组成，大多数天线设计中天线端口阻抗都以50 Ω或75 Ω来进行端口阻抗匹配，而在UHF RFID标签天线的设计中，标签天线与标签芯片之间没有传输线，两者是直接相连的。由于标签芯片可以等效为输入阻抗为电阻并联电容的形式，其输入阻抗一般为复阻抗。为了实现标签芯片与标签天线的最大功率传输，通常需要将RFID标签天线的输入阻抗设计为标签芯片输入阻抗的共轭值，即标签天线与标签芯片阻抗共轭匹配。

目前市场上常用的RFID标签芯片为NXP UCODE G2 iL、Impinj Monza 4QT和Impinj Monza R6，但前两款芯片的读灵敏度小于Impinj Monza R6，而标签芯片的灵敏度将直接影响到RFID标签的读取距离。为了实现更远的读取距离，本文采用Impinj Monza R6芯片，其等效输入电阻Rp为1 200 Ω，等效输入电容Cp为1.23 pF，将由于粘合剂与天线寄生效应产生的寄生电容考虑在内，则总的负载电容为1.44 pF，下面对其输入阻抗进行分析。

输入阻抗的仿真分析：

利用ADS进行输入阻抗分析的芯片等效电路如图1，计算得到的芯片输入阻抗随工作频率变化的曲线如图2。

图1 标签芯片等效电路图Figure 1 Equivalent circuit diagram of the tag chip

图2 标签芯片阻抗随频率变化曲线图Figure 2 Impedance change curve with frequency of the tag chip

输入阻抗的分析计算：

RFID标签芯片电路可以等效为电阻R与电容C的并联，则在工作频率为f的情况下，其端口复阻抗计算公式为

(1)

即

(2)

则RFID标签芯片阻抗的实部Zreal和虚部Zimag的计算公式为：

(3)

(4)

其中ω=2πf。

上述通过ADS仿真软件计算得到的标签芯片在920 MHz的工作频率下输入阻抗为(11.908-j118.943) Ω，而利用公式计算得到的在该频率下芯片阻抗为(11.92-j119.00) Ω，两者比较接近。

1.2 RFID标签天线的设计

影响RFID标签天线性能的主要因素有标签天线的尺寸结构、材料特性和应用环境等，本文设计的RFID标签天线仅考虑天线尺寸结构对天线性能的影响。目前，常用的RFID标签天线的类型主要有微带天线、缝隙天线、偶极子天线[9]等。由于弯折偶极子天线能有效减小标签天线的尺寸，并且能增加调整天线端口阻抗的灵活性，故其被广泛用于RFID标签中。本文设计的RFID标签天线采用小环天线(匹配结构)和弯折偶极子天线组合形式，其结构如图3。小环天线可用于与标签芯片进行阻抗匹配，偶极子天线能提升标签天线的增益和辐射效率。在标签天线端口处采用了常用的T型匹配网络结构[10]，通过调节T型匹配网络结构的尺寸参数(a和b)和线宽w，可以调节天线的谐振频率和输入阻抗，以满足与标签芯片阻抗的共轭匹配的要求。偶极子标签天线采用左右对称结构，左右两臂经多次弯折加感，通过调节弯折线的长度h、弯折线之间的间距g和弯折次数能实现对标签天线输入阻抗、工作频率及带宽的调节。在偶极子天线末端采用大面积金属区域以实现末端加载，末端加载能改善偶极子标签天线的输入阻抗特性、减小Q值拓展天线的带宽，且能增加标签天线的雷达散射截面(RCS)，增加标签的有效读取距离。UHF RFID标签天线的尺寸参数如表1。

图3 UHF RFID标签天线尺寸结构图Figure 3 Structure diagram of UHF RFID tag antenna

表1 UHF RFID标签天线的尺寸参数表Table 1 UHF RFID tag antenna size parameter

1.3 RFID标签天线的HFSS仿真结果分析

用HFSS仿真的UHF RFID标签天线的输入阻抗和回波损耗(S11参数)如图4和图5所示。由图4和图5可知RFID标签天线在890 MHz附近与标签芯片匹配程度最佳，此时S11=-28.598 dB，标签天线的输入阻抗为(12.38+j121.79) Ω，与标签芯片在890 MHz处的阻抗(12.72-j122.87) Ω共轭匹配。标签天线在全频带(860～960 MHz)范围内的回拨损耗S11<-10 dB，满足标签天线的带宽要求。

图4 UHF RFID标签天线S11曲线图Figure 4 Relationship between the parameter S11 of UHF RFID tag antenna and frequency

图5 UHF RFID标签天线输入阻抗曲线图Figure 5 Relationship between the input impedance of UHF RFID tag antenna and frequency

2 柔性可拉伸RFID标签的制作及测试

柔性可拉伸RFID标签实物图如图6，其制作过程如下：

1)首先将设计好的UHF RFID标签天线图形化并制成网版(网版参数：张力为28 N，膜厚为8 μm，目数为315目)；

2)然后采用可拉伸导电银浆通过丝网印刷的方式将UHF RFID标签天线印刷在表面覆有弹性TPU膜的莱卡布料上，并将印制的RFID天线样品置于烘箱中干燥固化(固化温度为140 ℃，固化时间为15 min)；

3)接下来在干燥后RFID天线样品的馈电口处点上各向异性导电胶(ACA)，再用RFID电子标签封装机通过热压的方式绑定上RFID芯片(Impinj, Monza R6)，以制成RFID标签(热压参数：压头重量为20～50 g，热压温度为175～185 ℃，热压时间为8～10 s)；

图6 柔性可拉伸RFID标签实物图Figure 6 Image of the flexible and stretchable RFID tag

4)最后在标签天线的匹配环上热压一层厚度为125 μm面积为15×8 mm2的PET，以保证UHF RFID标签的匹配环、芯片和天线的连接处在拉伸过程中不受外力影响而产生不必要的形变。

制作完后采用UHF RFID标签性能测试系统(Voyantic，Finland)对反复拉伸(拉伸20%)后RFID标签性能进行测试，测试结果如图7和图8。由图可知UHF RFID标签在890 MHz附近的灵敏度最高，与前文标签天线的仿真结果一致，初始状态的RFID标签的最大读取距离约为8.5 m且在反复拉伸1 000次后RFID标签还能保持将近7 m的读取距离。

图7 反复拉伸后RFID标签灵敏度变化曲线图Figure 7 Relationship between the sensitivity of RFID tag and frequency after repeatedly stretching

图8 反复拉伸后RFID标签读取距离变化曲线图Figure 8 Relationship between the reading distance of RFID tag and frequency after repeatedly stretching

最后，作为可穿戴电子的一个应用实例，柔性可拉伸RFID标签被直接集成在T恤上，如图9，测试者使用手持式RFID阅读器能从远处读取到可拉伸UHF RFID标签。并且当实验人员在步行，挥动手臂或进行其他活动时柔性可拉伸RFID标签还能正常工作并始终保持较高的灵敏度和读距。

图9 柔性可拉伸RFID标签集成在T恤上，并与手持RFID阅读器进行通信Figure 9 Photograph of a stretchable RFID tag integrated on a T-shirt and communicated with a handheld RFID reader

3 结 语

本文通过对RFID标签芯片阻抗的分析计算，得出了标签芯片阻抗随频率变化的曲线，并采用三维电磁仿真软件HFSS设计了一款基于半波偶极子天线的UHF RFID标签天线，通过丝网印刷的方法制作出了柔性可拉伸RFID标签并测试了其性能。结果表明，柔性可拉伸RFID标签的实际测试结果与仿真结果一致，且在反复拉伸数次后还能维持良好的灵敏度和读取性能，说明可用于可穿戴电子领域。