天線設(shè)計(jì)與性能RFID

原理與應(yīng)用yuanyc@njcit.cn課程回顧問題1

說一說標(biāo)簽結(jié)構(gòu)與功能問題2

你能辨識(shí)不同頻率的射頻標(biāo)簽嗎問題3

描述不同頻率標(biāo)簽特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)電子標(biāo)簽是一個(gè)微型的無線收發(fā)裝置，主要由內(nèi)置天線和芯片組成。電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)必芯片和標(biāo)簽天線是電子標(biāo)簽最重要的組成部分?！酒獦?biāo)簽的核心，用于生成和處理信號(hào)，

一般是內(nèi)部包含集成電路的硅片，

體積很小。是射頻識(shí)別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，存儲(chǔ)目標(biāo)信息。芯片內(nèi)部包含：邏

輯控制單元、存儲(chǔ)單元、用來對(duì)輸入輸出信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)的射頻前端電路以及電源電路?！炀€——發(fā)射和接收射頻信號(hào)的關(guān)鍵部件，

一般由金屬材料制成，天線的設(shè)計(jì)好

壞將直接影響標(biāo)簽性能。必基

材——標(biāo)簽的支撐結(jié)構(gòu)，可以由不同的材料構(gòu)成，如塑料、PET

、

紙、玻璃、環(huán)氧樹脂等，為芯片和天線提供機(jī)械強(qiáng)度。

一般根據(jù)實(shí)際情況來選擇剛性或柔性

的襯底材料?！鶚?biāo)簽天線針對(duì)不同的射頻識(shí)別系統(tǒng)、不同的工作頻率和不同的應(yīng)用領(lǐng)域

會(huì)有差別。天線結(jié)構(gòu)決定了天線的方向圖、阻抗特性、極化特性、天線

增益和工作頻段等特性；天線增益和阻抗特性對(duì)RFID系統(tǒng)的作用距離有

較大影響；工作頻段對(duì)天線尺寸及輻射損耗有較大影響。

一般而言，設(shè)

計(jì)標(biāo)簽天線需考慮以下要求：※(1)保證性能的前提下盡可能小巧，

一般而言，天線的大小決定了電子標(biāo)簽的尺寸。※(2)具有較大的增益及功率傳輸系數(shù)。能夠?yàn)闃?biāo)簽芯片提供最大的射頻能量，達(dá)到較遠(yuǎn)的讀寫距離?！?3)注意天線的極化特性，避免產(chǎn)生極化隔離?！?4)關(guān)注與天線連接的芯片的阻抗匹配問題。如果匹配不佳，會(huì)導(dǎo)致讀寫距離的嚴(yán)重下降?！?5)加工簡(jiǎn)單，工藝適合批量生產(chǎn)，嚴(yán)格控制天線的生產(chǎn)成本。※按照系統(tǒng)工作原理的不同，標(biāo)簽天線的原理和設(shè)計(jì)在LF、HF、UHF

頻段

上有根本的不同。電子標(biāo)簽的天線一般可分為近場(chǎng)感應(yīng)線圈天線和遠(yuǎn)場(chǎng)

輻射天線。標(biāo)簽天線線圈天線※距離小于1m

的低頻、高頻近距離應(yīng)用系統(tǒng)的RFID天線一

般采用工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的線圈型天線。近場(chǎng)感應(yīng)線圈

天線通常由多匝電感線圈組成，是將金屬線盤繞成平面或

將金屬線纏繞在磁芯上，電感線圈和電容構(gòu)成并聯(lián)諧振回

路，一般而言線圈獲取的能量和匝數(shù)成正比。當(dāng)標(biāo)簽線圈

天線進(jìn)入讀寫器所引發(fā)的電磁場(chǎng)中時(shí)，標(biāo)簽天線與讀寫器

天線之間就會(huì)產(chǎn)生類似于變壓器的作用，讀寫器的線圈和標(biāo)簽天線的線圈就好比是變壓器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈。圖3.2-2線圈天線微帶天線※遠(yuǎn)場(chǎng)輻射天線主要包括微帶天線、偶極子天線等。偶極子天線(又稱對(duì)稱振子天線)具有準(zhǔn)全向的輻射方向圖，微帶天線具有半球形

輻射方向圖，這兩類天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便，易與IC電路集成，非常適合作為標(biāo)簽天線?！炀€具有體積、重量輕、加工簡(jiǎn)單、易于與物體共形、電性能

多樣化、易于集成等特點(diǎn)，適合大規(guī)模生產(chǎn)，從而大大降低成本。微帶天線分兩類，一類是微帶貼片天線，另一類是微帶縫隙天線。必微帶貼片天線是由貼在帶有金屬底板的介質(zhì)基片上的輻射貼片導(dǎo)體

構(gòu)成的。在一個(gè)薄介質(zhì)基板上，

一面附上金屬薄層作為接地板，另

一面用光刻腐蝕等方法做出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線和軸

線探針對(duì)貼片饋電，這就構(gòu)成了微帶天線。圖3.2-3微帶天線偶極子天線※偶極子天線被廣泛應(yīng)用于RFID

標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)，尤其是在遠(yuǎn)距離

RFID

系統(tǒng)中。偶極子天線有多種變形，可分為折疊偶極子、折合

偶極子、分形偶極子等類型。※直線形偶極子天線由兩端同樣粗細(xì)和等長(zhǎng)的直導(dǎo)線排成一條直線構(gòu)

成，信號(hào)從偶極子天線中間的兩個(gè)端點(diǎn)饋入，在偶極子的兩臂上產(chǎn)生一定的電流分布，從而在天線周圍空間激發(fā)起電磁場(chǎng)。而從具體

的工程時(shí)間和經(jīng)濟(jì)角度考慮，變形偶極子天線有更廣泛的應(yīng)用，如

具有尺寸縮減特性的彎折偶極子天線，方便調(diào)節(jié)阻抗的折合偶極子

天

線

。圖3.2-4偶極子天線標(biāo)簽天線制造工藝※目前天線制作的方法主要有四種：繞線法、蝕刻法、電鍍

法和印刷法。必繞線法是直接在底基載體上繞上一定的銅線或鋁線作為天

線，在頻率較低的標(biāo)簽中，通常采用線圈天線形式。必傳統(tǒng)標(biāo)簽天線一般都采用蝕刻或電鍍天線為主，其材料一

般為鋁或者銅，在天線性能方面有很好的表現(xiàn)，缺點(diǎn)就是

成本太高。蝕刻法※蝕刻法：也稱印制腐蝕法，也稱減成法印制。先在一個(gè)底

基載體(如塑料上面覆蓋一層20mm~25mm

厚的銅或鋁，

另外制作一張?zhí)炀€陽圖的絲網(wǎng)印版，用網(wǎng)印的方法將抗蝕劑印在銅或鋁的表面上，保護(hù)下面的銅或鋁不受腐蝕劑侵

蝕，而未被抗蝕劑膜覆蓋的銅或鋁會(huì)被腐蝕劑溶化，露出

底基成為天線電路線的間隔線，最后涂上脫膜液去除抗蝕膜，進(jìn)而制成天線。具體工藝流程如圖。去

除

抗

蝕

膜蝕

刻基

底制作天線的

陽圖底片覆蓋銅

或鋁膜曬制抗蝕膜的網(wǎng)版圖5-7蝕刻法的工藝流程圖印

制

抗

蝕

膜制

成

天

線電鍍法※電鍍法：也叫印制電鍍法，也稱加成法印制。在底基上通

過網(wǎng)印的方法涂覆一層薄的(幾微米)起催化作用的油墨，

呈天線的陽圖形狀。此種特殊油墨含有金屬顆粒，在印制

之后，印過的材料再經(jīng)過電鍍過程，銅被鍍?cè)诓牧仙?，?/p>

附著在油墨形成的圖形上。電鍍過程持續(xù)到材料上沉積的

銅的量達(dá)到一定的厚度使之具有合適的導(dǎo)電性，進(jìn)而形成

天

線

。制

成

天

線油

墨

上

鍍

銅印

制

油

墨基

底制作天線的

陽圖底片圖5-8電鍍法的工藝流程圖曬制油墨的網(wǎng)版印刷法※直接用導(dǎo)電油墨在絕緣基板(薄膜、紙張等)上印制導(dǎo)電線

路，形成天線和電路。導(dǎo)電油墨是由細(xì)微導(dǎo)電粒子或其他特

殊材料(如導(dǎo)電的聚合物等)組成，印刷到承印物上后，起到

導(dǎo)線、天線和電阻的作用?！@種油墨印刷在柔性或硬質(zhì)承印物上可制成印刷電路，用導(dǎo)

電油墨印制的天線可接收RFID

專用的無線電信號(hào)。其優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在導(dǎo)電效果出色和成本降低。由于導(dǎo)電油墨的諸多優(yōu)勢(shì)，

其研制成為RFID

印制技術(shù)的

一個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)?；?/p>

底制作天線的

陽圖底片制

成

天

線印

制

油

墨圖5-9

印刷法的工藝流程圖曬制導(dǎo)電油墨網(wǎng)版標(biāo)簽封裝※為了保護(hù)標(biāo)簽芯片和天線，也為了使用方便，電子標(biāo)簽需

要用不同的材料、不同的形式進(jìn)行封裝，以適應(yīng)不同的應(yīng)

用領(lǐng)域和使用環(huán)境。封裝在電子標(biāo)簽的硬件成本中占據(jù)了

一半以上的比重，是產(chǎn)業(yè)鏈中重要的一環(huán)。第一次封裝

第二次封裝凸點(diǎn)制作天線制作圖5

-

2

RFID標(biāo)簽封裝過程芯片基板標(biāo)簽

Inlay芯片

貼裝層壓

沖裁RFID

標(biāo)簽測(cè)試標(biāo)簽封裝必不管RFID電子標(biāo)簽的形態(tài)千變?nèi)f化，其封裝制造工藝過程都包含兩次封裝?！謩e在RFID

芯片上制作凸點(diǎn)，基板材料上制作天線，然后封裝芯片實(shí)現(xiàn)芯片和基

板天線的互連，經(jīng)檢驗(yàn)合格后制成RFID標(biāo)簽內(nèi)核層(Inlay),至此完成RFID標(biāo)

簽的第一次封裝；※第一次封裝的另一種方法是AlienTechnology、Philips首先采用的芯片引線框架法。

安放在引線框架上的微小芯片通過引線框架把它的引腳延伸出來，使其外形尺寸更有利于高速組裝(芯片0.8×0.8mm2

芯片引線框架10×10mm2)。

由于芯片引線

框架還可再大，就可采用更大的貼裝范圍，因此就能允許更高的組裝速度?！鵕FID

標(biāo)簽根據(jù)不同的應(yīng)用，需要經(jīng)過層壓、沖裁、印刷等第二次封裝，也就是外

包裝，制成最終的RFID

標(biāo)簽產(chǎn)品。IC