（机械电子工程专业论文）rfid标签天线导电油墨丝网印刷工艺研究.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 无线射频识别技术( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 已在全世界范围内得到了广 泛的应用，各行各业都能看到它的影踪，传统的印刷行业也进入了这一崭新领域。目前， r e i d 标签天线的制造技术主要有铜导线绕线法、导电油墨印刷法、铝箔蚀刻法以及真空溅 镀法。制造技术的推陈出新，基于降低标签天线生产成本、提高标签天线电学性能的双重 要求。用导电油墨印刷技术制造的r f i d 标签天线已经成功地应用于2 0 0 8 年北京奥运会门 票等众多产品上。但是，进一步降低天线制造成本、提高天线电学性能，依然是该制造技 术面临的技术难题。基于此，针对如何提高导电油墨印刷技术制造的r f i d 标签天线的电学 性能，本文从以下几个方面展开深入的分析和研究。 分析与研究了金属银微粒含量对r f i d 标签天线电学性能的影响，得出了金属银微 粒的含量不仅与导电油墨印刷r e i d 标签天线的印刷质量有关，而且还与天线的电阻值有 关。 分析与研究了印刷参数对r f i d 标签天线电学性能的影响，得出了导电油墨印刷 r f i d 标签天线的电阻值与刮板施加给网版的压力( 即刮印压力) 、刮板与网版的承印角( 即 刮印角) 、刮板运动速度( 即刮印速度) 以及刮板硬度等印刷参数有关。 分析与研究了印刷墨膜干燥条件对r f i d 标签天线电学性能的影响，得出了印刷墨 膜的干燥温度、干燥时间与r f i d 标签天线的电阻值和读取距离有关。 总之，本论文基于大量的理论和实验数据分析，研究了金属银微粒含量、印刷参数和 印刷墨膜干燥条件与r f i d 标签天线电学性能之间的关系，得出了较优的制造工艺参数，有 利于r f i d 标签天线电学性能的提高。 关键词：r f i d 标签天线，电学性能，导电油墨，金属银微粒，印刷参数 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e m i f i c a t i o n ) h a sa l r e a d yd e v e l o p e da n dr e a c h e ds o 缸i nt h ew o r l d i tc a l lb es e e ni na n yt r a d ea n dp r o f e s s i o n t h ep r i n t i n gi n d u s t r yh a sa l s oe n t e r e di nt h en e w d e v e l o p i n gf i e l dt o o t h em a i nm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e so fr f i da r ew i n d i n gt h el i n e ，p r i n t i n g a n de t c h i n g r e c e n t l ys o m e o n eh a su s i n gt h es t e a mp l a t ew a y t h e r ea r cal o to fm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g i e st h a th a v eb e e nc r e a t e db e c a u s el o w e rt h ec o s ta n di m p r o v et h es p e e do fp r o d u c t i o n w i l lb en e e d e d o n c et h et w oi s s u ew er e a c h e d ，t h e nt h i n k i n ga b o u tt h ee l e c t r i c a lp e r f o r m a n c eo f r f i dt a ga n t e n n a t h ep r i n t i n gw a yh a sa l r e a d yb e e na p p l i e dt om a n yp r o d u c t s i ft h ep r i n t i n g i n d u s t r yd o e sal e a d e r ，d o i n gt h eb e s ti np r i c e ，s p e e da n dq u a l i t y s oh o w t oi m p r o v et h ee l e c t r i c a l p e r f o r m a n c eo fr f i dt a ga n t e n n at h a ti st h ec o n d u c t i v ei n kp r i n t i n gp r o d u c t sw i l lh ed i s c u s s e di n t h ea r t i c l e t h r o u g h i n gt h eu s eo fm a n ym e t h o d st oi m p r o v et h ee l e c t r i c a lp e r f o r m a n c eo fr f i d t a ga n t e n n a , r e s e a r c h e sa r ea st h ef o l l o w s ： t h r o u g ht h er e s e a r c ha n da n a l y s i so fm e t a ls i l v e rp a r t i c l e sc o n t e n tf o rt h ee l e c t r i c a l p e r f o r m a n c eo fr f i dt a ga n t e n n a ，t h er e s u l t sn o to n l ya b o u t t h eq u a l i t yo fc o n d u c t i v ei n k p r i n t i n gr f i dt a ga n t e n n a , b u ta l s oa b o u tt h er e s i s t a n c eo f c o n d u c t i v ei n kr f i dt a ga n t e n n a ( 多t h r o u g ht h er e s e a r c h e sa n da n a l y s i so fs c r a p i n gp a r a m e t e r sf o re l e c t r i c a lp e r f o r m a n c eo f r f i dt a ga n t e n n a , t h er e s u k st h a tt h es c r a p e rf o rp r e s s u r ew a sa p p l i e dt ot h es c r e e n ( p r e s s u r e p r i n t e do ns c r a t c h ) ，t h es c r a p e ra n ds c r e e np r i n t i n ga n g l e ( p r i n ts c r a p i n ga n g l e ) w i l lb eo b t a i n e d ， t h eh a r d n e s so ft h es c r a p e ra n ds c r e e np r i n t i n gs c r a p e rv e l o c i t y ( s c r a p i n gp r i n t i n gs p e e d ) f o rt h e i m p a c to ft h er e s i s t a n c eo fc o n d u c t i v ei n kr f i dt a ga n t e n n a t h r o u g ht h er e s e a r c ha n da n a l y s i so fp r i n t i n g 一址一f i l md r y i n gc o n d i t i o n sf o re l e c t r i c a l p e r f o r m a n c eo fr f i dt a ga n t e n n a , t h er e s u l t st h a tp r i n t 堍一i n k f i l md r y i n gt e m p e r a t u r e ，d r y i n g t i m ew i t ht h er e s i s t a n c eo f r f i dt a ga n t e n n aa n dt h ed i s t a n c eo f r e a dw i l lb eo b t a i n e d i ns h o r t ，t h r o u g ht h er e s e a r c ha n da n a l y s i so fm e t a ls i l v e r p a r t i c l e s c o n t e n t s c r a p i n g p a r a m e t e r sa n dp r i n t i n g - - i n k f i l md r y i n gc o n d i t i o n sw i t ht h ee l e c t r i c a lp e r f o r m a n c eo fr f i dt a g a n t e n n aw i l la c h i e v es t a b i l i t y k e yw o r d ：r f i dl a b e l - a n t e n n a , c o n d u c t i v ei n k , m e t a ls i l v e rp a r t i c l e s ，s c r a p i n gp a r a m e t e r s ， p r i n t i n g - - i n k - f i l mc t r y i n gc o n d i t i o n s i i 杭州电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源 本论文课题来源于与企业的合作项目： 无源r f i d 标签天线的关键制造技术研究； r f i d 标签天线制造总体工艺研究。 1 2 本课题研究的背景 近几年来，随着电子商务、物联网技术等基于网络技术的应用发展，自动识别方法按 人类不同的需求在交通领域、工业生产、安全防伪等众多相关领域得到了快速普及和推广 应用，其政治、经济、文化意义突出。目前来说，自动识别技术的目的和任务主要是提供 关于人类、动植物和商品货物等识别对象的特征数据信息【l 】，例如，传统的条形码技术曾经 在自动识别系统领域中掀起了一场革命，而且该技术在许多相关的领域得到了广泛的应用 及发展【2 】。虽然，传统的条形码技术信息数据采集速度快、自由度大、成本低等特点【3 】，但 是，由于其信息容量小，不易被修改等特点，致使它已越来越不能满足人们日益增长的物 质需求【4 】。因此，随着社会经济和科学技术的发展，产生了一种自动识别技术上的最佳解决 方法，即：所需存储的数据被存储在一个电子数据承载设备应答器( t r a n s p o n d e r ) 上。 目前，许多具有触点式排列的i c 卡( 如：移动手机s i m 卡、中国农业银行金惠通宝卡、城 市公交卡等) 正是这种电子数据承载设备最常用的结构。相比传统的条形码技术，点式排 列的i c 卡具有安全性高、存储容量大等优点，使其在很多场合更为实用，但是触点式排列 的i c 卡的价格较高，并且工作方式为机械式接触模式，暴露在外面的i c 卡触点可能由于 人为或者静电等其他一系列的原因造成触点式排列的i c 卡受到损坏，这使其在许多情况下 并不适用，若能使用非接触式的数据传输模式，自动识别方法将会变得非常灵活。因此， 最理想的方法是：承载设备工作的电子数据所需要的能量是通过磁场或电磁场等非接触式 方式获取，使用所需的能量和数据交换则是通过无线电技术和雷达技术实现的，即非接触 式识别模式，我们把非接触式识别系统称为射频识别系统，简称r f i d 系统( r f i d r a d i o f r e q u e n c ei d e n t i f i c a t i o n ) 【5 】o r f i d 技术是一种非接触式的自动识别技术【6 】，它只需要通过阅读器发射射频信号，无 需人工干预【7 】，便可通过空间耦合来实现自动识别目标对象并获取相关数据，同时也可以将 新的数据信息写入目标对象的标识设备【8 】，是以电子识别手段赋予商品一种智能化内涵的新 技术，具有高速移动物体识别、多目标识别和非接触识别等特剧9 1 。因其优越的特性，使得 它在仓库运输物流行业、门禁考勤、固定资产管理、火车汽车识别等行业得到了广泛的 应用，如图1 1 所示的就是r f i d 系统其中在这些行业中的应用情况，其中仓库运输物流 杭州i 电f 科技：学硕十学位论文 行业占了7 8 ，门禁考勤行业占了4 5 ，固定资产管理行业占了3 2 ，火车汽车识别j i - ：i k 占了3 4 ，。同时，r f i d 技术作为推动现代服务业发展的新兴技术，导致了物联网产k 对 r f i d 技术的强烈需求，从而进一步推动了r f i d 技术行业的蓬勃发展。 火车汽车识别 固定资产管理 禁考勤 仓库运输物流行 业 0 20406080 图1 1r f i d 系统最主要行业的市场应用情况的分析 自2 0 0 9 年8 月温家宝总理提 j “感知t ，幽”以来，物联网被1 1 i 式列入幽家的红大新兴 战略。i 。t - ：产业之，。弓入“政府i ：作报告”i 。自此，物联网在中囝受到了极人的荚汴，并 形成了火发腱的趋势，被誉为界信息产业第一- 4 5 良潮，成为新一轮全球经济发展的战略 焦点j ，而随着物联网技术的快速发展，r f i d 系统也将得到快速的发展。作为r f i d 系统 中重要的组成部分之一r f i d 标签也将随之大量的生产和使用。 目前，我国研究开发r f i d 系统尚处于初级阶段，存在技术瓶颈，标准尚未统一【2 l ，不 同的介质对电磁信号的影, i a j l ：同等诸多问题，但是，随着r f i d 研究开发技术的不断发展和 r f i d 系统在各个领域中的广泛应用，这项技术将在我国具有巨大的发展潜力和广阔的市场 需求。中国标准化协会的e p c 和“物联网”应用标准化工作组此前对我国的r f i d 应用市 场作了相关调查和分析【l2 1 ，与此有关的专家指出：预计未来几年，我国每年大约需要使用 4 0 亿枚r f i d 标签，二代居民身份证需要1 0 亿枚，零售产品需要2 0 亿枚l ”】。以上这些产 品需求量只涉及到商品流通领域的部分产品， 物流、物品防伪、邮政领域、电予商品监视、 么产品需求量的数据将更加的惊人。 如果我们再考虑物流管理、交通运输、军事 身份识别、制造与加工等其他众多领域，那 研究开发r f i d 技术有着巨火的经济效益和社会效益1 1 4 。目前，r f i d 技术已经成为当 今社会的一个新的经济增长点和研究的热点，有人甚至表明r f i d 系统的开发蕴藏着几万亿 美元的商机。因此，r f i d 系统被认为是2 1 世纪f 一大科技成就之一和当今计算机行业的四 大发展趋势之一。我们峰信：物联网技术和互联网技术，一样改变我们的生活方式，通过 物联网技术，将实现人与人、人与物、物与物相连接，众多事实表明物联网技术是具有划 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 时代意义的重大科技成果之一。 r f i d 系统作为一个比较庞大而复杂的系统，所涉及的关键技术主要包括：防碰撞技术、 低功耗技术、安全技术、频率选择技术、天线技术等【l5 1 。 r f i d 系统的天线是由阅读器天线和r f i d 标签天线二部分组成，是直接影响r f i d 系 统性能的关键核心器件，是整个r f i d 系统的“瓶颈”，而r f i d 天线性能的优劣直接影响 到r f i d 系统的读写距离、鲁棒性等指标，决定r f i d 系统能否正常工作或各项功能能否顺 利运行 2 1 。因此，进行r f i d 系统天线的性能研究具有非常重要的现实意义和实际应用价值。 制造r f i d 标签天线的主要材料是金属导体，如金属铝箔、金属铜箔、导电油墨、金属 铜导线等，它们的电学性能极大地影响了r f i d 标签天线的工作效果。 r f i d 标签工作时，标签天线将接收来自阅读器发出的磁信号，并转化为电信号；标签 芯片工作时通过天线将电信号转化成磁性号发射出去。因此，若r f i d 标签天线的金属导体 电阻率大，导电性能也讲很差，通过天线金属导体内部消耗的功率也就比较大，而损耗的 功率只是转化为热能不能被利用，使得“电一磁”转化率降低，标签芯片与r f i d 标签天线 之间的功率也就无法匹配，r f i d 标签天线发射出去的功率将变小，r f i d 标签读取距离将 变短。而且，若r f i d 标签天线内部电阻大，则天线内部流过的电流小，使得标签芯片两端 的电压值变小而达不到芯片所需的启动电压值，芯片也就无法正常启动和工作，阅读器无 法正常读取r f i d 标签。反之，若标签天线金属导体的导电性越好，电阻率越低，天线内部 消耗的功率就越小，芯片接收到感应电压也越大，而且天线发射出去的磁信号越大，标签 读取距离也就越长。 综上所述，r f i d 标签天线的电学性能影响整个r f i d 系统的工作性能，是r f i d 系统 的一个重要技术参数，而r f i d 标签天线的制造技术又直接影响着天线的电学性能，因此， 研究r f i d 标签天线的制造工艺，对r f i d 标签的读取性能以及整个r f i d 的使用性能，有 着巨大帮助。 目前市场上主要流行的天线制造技术有铜导线绕制、电镀铜箔、金属铝箔蚀刻、导电 油墨印刷这四种技术，而铜导线绕制r f i d 标签天线r f i d 标签天线柔软，耐弯折性差，使 用的可靠性差，常用于频率低于1 3 5 6 m h z 的非接触式硬卡中；电镀铜箔制造r f i d 标签天 线工艺复杂，而且原材料成本和设备成本均很高，使得此方法制造r f i d 标签天线工艺方案 面临生产投资大，周期长等一系列生产问题；金属铝箔蚀刻制造r f i d 标签天线是虽然能制 造出精度高，使用性能较好的天线，但是这种方法不仅制造工艺复杂，浪费原材料，而且 腐蚀性的酸液污染性高且不易处理，非未来发展的主要趋势；而相比以上三种天线制造技 术而言，导电油墨印刷的r f i d 标签天线不仅能达到较好的电学性能好，而且标签天线图案 灵活，使用的可靠性好、污染低、产能大。这一系列优势使得这种技术在国内外得到了广 泛的应用，具有美好的前景。因此本论文研究与分析天线的制造将以导电油墨印刷r f i d 标 签天线为例，并进行相关性能的研究与分析。 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 3r f i d 标签天线印刷技术的国内外研究现状 目前，随着国家战略的规划和r f i d 技术的成熟，r f i d 技术广泛应用的时机已经到来， 国内外众多学者纷纷进行r f i d 标签天线制造技术的研究。由于金属导电油墨这种新材料的 发现，使得导电油墨印刷i 羽d 标签天线可以实现，并逐渐被广泛应用在印刷i i d 标签天 线行业中。综合国内外的研究成果，主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 优化导电油墨印刷r f i d 标签天线的结构，提高r f i d 标签天线感应精度 j o h a ns i d 6 n 等人经过大量的实验分析与研究，认为：“若设计的导电油墨丝网印刷r f i d 标签天线的导线宽度大于2 毫米时，则导电油墨印刷得到的r f i d 标签天线的导线边界均匀， 并且天线具有稳定的工作效率，r f i d 标签能量损耗较小；若设计的导电油墨印刷r f i d 标 签天线的导线宽度为0 8 毫米时，导电油墨印刷后得到的r f i d 标签天线问题较多，r f i d 标签天线的阻抗与r f i d 标签芯片的阻抗很难匹配，r f i d 标签能量损耗较多；若设计的导 电油墨印刷r f i d 标签天线的导线宽度只有o 5 毫米，则导电油墨印刷后的r f i d 标签天线 的导线宽度很不均匀，边界粗糙；若设计的导电油墨印刷r f i d 标签天线的导线宽度小于 o 3 毫米时，r f i d 天线的印刷质量极不稳定，边界粗糙，所制作的r f i d 标签天线成品很少 f 2 】【1 6 】 o a n d r e ik o p t i o u g 等人经过大量的实验分析与研究，认为：“若导电油墨印刷r f i d 标签 天线的墨膜墨层厚度越小，理论上r f i d 标签天线辐射效率越低；若r f i d 标签天线的印刷 质量越高，印刷的r f i d 标签天线辐射效率越稳定；若导电油墨印刷r f i d 标签天线的墨膜 墨层厚度大于3 0 微米，印刷的天线辐射效率将达到1 0 0 ，此时的辐射效率与金属铝导体 相近，但是经过导电油墨印刷r f i d 标签天线后，r f i d 标签天线的质量稳定性将大大地降 低 【2 】【1 7 】。 ( 2 ) 优化导电油墨印刷r f i d 标签天线结构形式，节省导电油墨印刷r f i d 标签天线 的成本【2 】 由于金属银的价格要高于金属铜和铝，因此，在实际中，要使导电油墨印刷r f i d 标签 天线的成本低于铜导线绕制r f i d 标签天线或金属铝箔蚀刻r f i d 标签天线的成本，须减小 r f i d 标签天线的尺寸和优化r f i d 标签天线的结构，因此通过设计者的设计得到线宽窄、 间隙小、圈数多、面积小的小型化天线【2 】是r f i d 标签天线结构设计的关键。 s t e d j i n i 等人经过大量的实验分析与研究，认为：“由于丝网印刷工艺可以在任何承印 材料上进行印刷，因此，这将极大地扩大导电油墨印刷r f i d 标签天线应用领域。但是，由 于承印材料不同的纤维组织结构、不同的厚度等造成其介电常数也不同。因此，设计该类 型r f i d 标签天线，通常按以下步骤进行：首先，测定印刷所用的承印材料的介电常数；其 次，测定所用导电油墨的电阻率和渗流参数；最后，进行r f i d 天线结构的参数设计、优化 和电学性能的测量 【2 】【1 8 】。 c z z h o u 等人在节省油墨方面，经过大量的实验分析与研究，认为：“层周期环绕套印 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 的天线结构，要比普通单层平面印刷r f i d 标签天线所使用的油墨节省一半，而且其辐射效 果不变，但是导线双层印刷的套印准确度、油墨湿压湿叠印的转移效果等都需要进一步研 2 幸，1 2 【1 9 】 u o 潘振明等人经过大量的实验分析与研究，认为：“墨膜墨层薄，天线欧姆损失大；墨膜 墨层厚，天线辐射效率稳定性差。因此，天线的设计墨膜墨层厚度要恰当，印刷过程中要 严格控制墨膜墨层厚度，以防天线辐射效率损失”【2 】 2 0 1 。 综上所述，国内外学者经过大量的实验分析与研究，并对导电油墨力学性能与工艺控 制等方面取得了较大的实验成果，促进r f i d 标签天线和导电油墨的应用。 1 4 论文的主要研究内容 目前，虽然采用导电油墨印刷r f i d 标签天线是国内外一致认可最具有发展前景的技 术，但是，在导电油墨印刷r f i d 标签天线的整个制造工艺中，还存在很多技术难题，因为 导电油墨中金属银微粒的含量、刮印参数及墨膜干燥条件都将对r f i d 标签天线的电学性 能。因此，本文将对这几个方面进行分析与研究： ( 1 ) 导电油墨中油墨的银微粒含量与r f i d 标签天线表面电阻率的关系，以此入手找 到最佳品牌导电油墨的银微粒的含量，优化r f i d 标签天线的电学性能。 ( 2 ) 导电油墨印刷r f i d 标签天线的刮印参数与r f i d 标签天线方阻值的关系，从而 优化刮印参数，实现r f i d 标签天线方阻值的最优。 ( 3 ) 导电油墨墨膜干燥条件与r f i d 标签天线电阻值的关系，分析导电油墨加热干燥 后，其金属银微粒是否会重新排列，使得r f i d 标签天线的电阻值发生变化，从而影响r f i d 标签天线读取距离。 本文的章节主要由五章组成： 第一章，首先概述了r f i d 系统的研究背景和国内外研究成果；接着指出目前国内外研 究存在的问题；最后提出了本文研究的课题内容。 第二章，首先介绍了r f i d 标签天线的工作原理，分析了r f i d 标签天线的电感、电容 和电阻三个电学参数与r f i d 标签天线工作的关系。本章的论述为后续章节的分析与研究奠 定了基础。 第三章，本章导电油墨印刷r f i d 标签天线的制造工艺，分析了导电油墨印刷r f i d 标 签天线电学性能关键判据，本章的论述为后续章节的分析与研究奠定了基础。 第四章，本章是基于前面二章的理论分析，对r f i d 标签天线进行电学性能的实验方案 设计与实验研究。 第五章，总结本论文的研究成果，并提出未来的研究方向。 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 第二章r f i d 标签天线的理论 2 1i u i d 标签概述 。 r f i d 标签( e l e c t r o n i ct a g ) 也称为射频标签、智能标签( s m a r tt a g ) ，是r f i d 系统真 正的数据载体，通常是由耦合元件和微芯片组成的超微型的小标签【2 ，每个超微型的小标 签具有唯一的e p c ( 电子编码) ，超微型的小标签使用时，通常是附着在目标对象上【2 2 1 。目 前，超微型的小芯片包括加密逻辑、串行电可擦除可编程只读存储器( e l e c t r i ce r a s a b l ea n d p r o g r a m m a b l er e a d o n l ym e m o r y ，e e p r o m ) 、微处理器以及射频收发电路【2 3 1 。 r f i d 标签可以根据供电方式不同，分为有源r f i d 标签和无源r f i d 标签【2 引。有源r f i d 标签虽然内部有供电电池，读取距离比较远，但是，由于供电电池具有一定的使用期限， 因此使有源r f i d 标签的使用寿命受到限制，而且随着r f i d 标签内部供电电池电力的消耗， 其数据传输的距离愈来愈小，进而影响了r f i d 系统的正常工作；而无源r f i d 标签内部没 有供电电池芯片，工作时需靠外界提供能量才能使r f i d 系统进行正常工作1 2 3 1 ，但是对环 境要求低，可靠性好，价格便宜，正由于这些优点，使得其被广泛的应用，因此，本文所 研究的r f i d 标签都是无源的。 2 2r f i d 标签天线的工作原理 r f i d 标签的工作原理是一种电感耦合方式的r f i d 系统，可以将无源r f i d 标签天线 看成是一个电感线圈【2 1 ，电感耦合式的r f i d 系统标签天线的工作原理与变压器方式的工作 原理相类似。在r f i d 系统标签天线的工作时，可将阅读器的天线看成是变压器的一次绕组， 而r f i d 标签天线则看成是变压器的二次绕组【2 5 1 。在r f i d 标签工作时，阅读器将r f i d 标 签能量束缚在阅读器电感线圈的周围，并通过交变闭合的线圈磁场，使得阅读器与r f i d 标 签绕组之间产生了射频通道。因此，无源r f i d 标签芯片工作时所需要的全部能量都是由阅 读器和r f i d 标签之间两个耦合元件通过谐振的振荡电路来实现的 2 1 。因此，为了能够详细 的分析r f i d 标签与阅读器在整个系统中的相互作用，本节首先介绍分析阅读器的电性能， 以便更好的解释r f i d 标签工作原理。 阅读器产生的交变磁场所需要的导体回路用线圈厶表示，串联电阻墨是导体回路的线 圈厶中的损耗电阻，阅读器的等效电路如图2 1 所示，阅读器的发送器输出端产生了高频电 压，阅读器的接收器直接与天线线圈厶相连接。为了便于描述，本文将阅读器的工作频 率定为厶，谐振频率为以r s ，当= f t x 时，导体回路厶能够获得最大的电流，此时，经 电容c l 的串联形成谐振电路，根据汤姆逊公式1 2 6 】： f - 丽1 孑 2 1 ) 可以得到阅读器工作时，频率与电感电容关系表达式，如式( 2 2 ) 所示： 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 高 - 局= 2 司1 雨 l lu l ( 2 2 ) 图2 1 具有天线厶的阅读器的等效电路图 如上图2 1 所示，具有天线厶的阅读器串联谐振电阻的总阻抗z l 等于各项阻抗的总和， 即： z l = 蜀+ 如厶+ _ ( 2 3 ) ，【一1 当阅读器谐振时，电感厶和电容c 1 的阻抗相互抵消为零。此时，总阻抗z 。仅由r 。确定， 并达到了最小值2 7 1 。 m + 志卸j c o = 2 n fjz 1 ( f 艇s ) 础t ( 2 4 ) 而与此同时，阅读器天线电流在谐振频率的情况下达到最大值，并且( 假设为理想电 压源的情况下，即r 从阅读器发输入的电源电压和阅读器线圈电阻可以算出【2 7 1 ： ( 缸) 2 丽u o 西。局u o ( 2 ，5 ) 当r f i d 标签进入阅读器的磁场所产生的感应范围内时，设厶为i 强i d 标签耦合元件中 的感应线圈，之为线圈中的电流，据楞次定律，线圈厶因互感的作用，会产生反作用的电 流之2 1 。为了简化互感m 对电流的影响，我们引出一个阻抗，即：r f i d 标签的复数变换 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 阻抗z 。在这里，我们假设当阅读器的串联谐振电路在有互感的情况下的进行电磁作用时， 该复数变换阻抗z ：与实际存在的离散元件一样。现在进一步分析这个复数变换阻抗z ：。 如图2 2 所示，阅读器的电源电压在串联谐振等效电路中可以分为单项电压u c 。，l 。， u 刷和u ，。由于r f i d 标签的磁耦合的影响，对阅读器发送器导体回路中的电流的改变可 以通过复数变换阻抗z 来表示。这个电路在谐振频率下的情况的各电压矢量图如图2 3 所 示。 - l 际线圈 u 1 u c l = 1 1 + i 0 w c l l 卜小m 1 i r 州 图2 2 串联谐振电路的等效电路图 8 i 黜0 l 剧o l l 杭州电子科技大学硕士学位论文 图2 3 在谐振的情况下，阅读器天线的串联谐振电路中的电压矢量图( 单项电压叱l 和“d 的值可能大于 总合数电压“o ) 由于在串联谐振电路中流过的电流毛是恒定不变的，因此，可以将电路中单项的电阻阻 抗、电感感抗、电容容抗和复数变换阻抗与电流f l 的乘积的总和来表示阅读器电源电压l l o 。 复数变换阻抗z 用乘积扣m 之来表示： 2 弘+ 志”一弘m f 2 ( 2 6 ) 由于在串联谐振电路中，阅读器和r f i d 标签工作时都是在谐振频率上，因此，单项电 感感抗弘三。和电容容抗_ 可以相互抵消。因此，阅读器的电源电压只分配给电阻阻 ，l ， 抗置和复数变换阻抗z l 二端。式( 2 6 ) 可进一步简化，结果是： u o = 蜀一弘m - f 2 ( 2 7 ) 为了能够清楚的分析和计算复数变换阻抗z ，现在用r f i d 标签天线线圈中的电流j 2 的 表达式。等效电路图如图2 3 所示，r f i d 标签的阻抗z 2 是由r f i d 标签负载电阻吃( 数据 载体) 和电容c 2 组成。 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 厂、 i _ z o l ll 2 电源电压“。：是由标签线圈厶通过互感m 而作用产生的。标签天线中的电流f 2 是电压甜： 除以标签中的感抗j 厶、电阻阻抗恐和标签的阻抗z 2 总和的商( 标签的阻抗z 2 是由标签 负载电阻数据载体置和并联电容c 2 组成) 。用：= 弘m 代替电压”。：，可以得到下面的 公式： = “一弘m 。西盅忑= “一弘m ，而f l 丽o m i 1 ( 2 - 8 ) 又因为用互感m 来计算电压是不实际的，因此用m = j i 厶岛，对于r f i d 系统来 说，耦合系数k 、阅读器线圈电感厶和感应线圈电感厶的值通常是已知的。式( 2 8 ) 可写 畸毛+ 黜毛 ( 2 9 ) 将上式( 2 9 ) 两边除以，可以得到阅读器的串联谐振总阻抗z o = ，总阻抗z o 是 电阻墨和p , _ f i d 标签的复数变换阻抗z ：之和。因此，复数变换阻抗z ：表达式为： z ：! 丝：刍：刍( 2 1 0 ) ! 垦+ 弘厶+ z 2 上式中，z 2 为标签中的电容c 2 和电阻r 的组成的并联阻抗。因此，z 2 的表达式为： z ：l( 2 1 1 ) 将式( 2 1 1 ) 代入到( 2 1 0 ) ，得到复数变换阻抗z 的最终表达式： 乏2i忑cozm工2in12 泣 恐+ 弘厶+ 赢 杭州电子科技大学硕士学位论文 从公式( 2 1 2 ) 可以得出：r f i d 标签的复数变换阻抗z ：与角频率、互感m 、阅读器电 感厶、r f i d 标签天线电感厶、r f i d 标签天线阻抗足、r f i d 标签芯片阻抗r ，和r f i d 标签天 线电容c 2 都有关系。在选用好的阅读器的情况下，角频率、互感m 、阅读器电感厶均为 定值；在选用好的r f i d 标签芯片的情况下，芯片阻抗尺，为定值。因此，复数变换阻抗z 主 要与r f i d 标签天线电感厶、r f i d 标签天线阻抗尼和r f i d 标签天线电容c ，三者有密切的关 系。由于r f i d 标签天线电感厶、r f i d 标签天线阻抗足和r f i d 标签天线电容g 都会对复数变 换阻抗z 有影响，因此，为了更好的理解r f i d 标签天线电感厶、r f i d 标签天线阻抗足和r f i d 标签天线电容q 各个参数间的相互关系，首先介绍品质因数q 。 品质因数q 指的是谐振时回路中总的储存能量与每周期中消耗在电阻上的能量之比，它 是是振荡回路处于谐振频率时电压和电流增大的量值1 2 引。其倒数l q 则表示回路阻尼，由d 表 示，如图2 4 所示的并联谐振回路为例，若天线自身的内阻为尼，谐振电容为c ，国为谐振频 率，则品质因素9 可以由式( 2 1 3 ) 得到。在式( 2 1 3 ) 中，是标签振荡回路的角频率 ( = 2 7 r 厂) 。 l ll 2 妒寐 1 生+ 生 2r ( 2 1 3 ) 图2 4r f i d 标签谐振回路 一方面，当r f i d 标签天线阻抗足趋于无穷大而r f i d 标签天线并联的负载电阻r ，趋于零 时，品质因素9 趋于o ；另一方面，当r f i d 标签天线阻抗b 趋于零，而r f i d 标签天线并联的 芯片阻抗r 彳艮高( 与r f i d 标签芯片很小的功耗相应) 时，r f i d 系统的品质因数q 值就能够 达到很高。又由于r f i d 标签天线两端感应出的电压值“。，与振荡回路的能量成比例，因此， 品质因数q 值越高，谐振时感应出的电压值材。，也就越高，r f i d 标签天线通过振荡回路谐振， 谐振电路电压升高并很快升高到并达到最高值，芯片两端感应电压也迅速上升【2 1 ，当芯片两 杭州电子科技大学硕士学位论文 端感应电压大于芯片启动电压时，芯片开始正常工作。若r f i d 系统的品质因素q 值太低，一 方面会使r f i d 标签天线的阻抗消耗的能量太多，导致发射出去的能量减少，最终影响r f i d 标签的阅读距离；另一方面，r f i d 标签天线线圈中的感应电压不能通过振荡回路产生谐振， 此时芯片两端感应电压也比较低，一旦芯片两端感应电压小于芯片启动电压，芯片将无法正 常启动和工作。根据式( 2 1 3 ) 为了增大品质因素q 值，可以通过减小i 讧i d 标签天线阻抗r ， 同时也可以增加r f i d 标签天线电感厶的值来实现。 由式( 2 1 3 ) 我们也可以看出，天线的品质因数还与电容有很大的关系。当阅读器工作 时，r f i d 标签天线线圈上产生的感应电压用于给无源r f i d 标签芯片的数据存储器( 微芯 片) 供电，实际上的电压值要比理论上计算的电压值低很多。其原因有两方面，一是当r f i d 标签工作频率较低时，电抗较大，分布电容的影响较小；另一方面是当r f i d 标签工作频率 较高时，电抗值减少并开始在r f i d 标签天线线圈二端产生旁路效应。旁路效应会造成只有 少量的电流通过天线线圈，这样会使r f i d 标签天线线圈上的感应电压减少。 因此，为了显著提高r f i d 标签中的等效电路产生感应电压和感应电流的效率，与r f i d 标签天线线圈产生谐振，匹配电路时还需要一个电容，通常是在厶上并联一个电容c ，以构成 l c 并联振荡回路，其谐振频率厶与所述的r f i d 系统的工作频率是一致的。并联振荡回路中 r f i d 标签天线电感线圈厶与电容c 的关系可由汤姆逊公式( 2 1 ) 算出。 实际上，调谐电容c 2 是由并联的谐振电容a 和实际电路中的寄生电容c ，构成的【2 1 ，即： c 2 = 岛+ c p 。所需要并联电容器岛的电容是在考虑到寄生电容c ，时由汤姆逊公式得出【2 】： q = 而1 一c p ( 2 当阅读器和r f i d 标签中两个耦合元件的频率南= = c o 2 7 r 时( 由于国= 2 a f ) ，构 成并联振荡谐振回路，r f i d 标签天线线圈中的感应电压通过振荡回路中的谐振很快升高并 达到最高值，r f i d 标签芯片两端感应电压也会迅速上升【2 】；当r f i d 标签芯片两端感应电 压大于r f i d 标签芯片启动电压时，r f i d 标签芯片开始正常工作 2 1 。如图2 5 所示为一种在 较大频率范围内，谐振与非谐振时，r f i d 标签芯片两端感应电压的模拟曲线 2 1 。 1 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 图2 5r f l d 标签芯片两端的感应电压 由图2 5 ，可知：当岛 疋詹。时，复数变换阻抗z 起容抗的作用。此时，r f i d 标签复数变换阻 抗z 等效电路如图2 6 所示。r f i d 标签振荡回路中的线圈厶中电流厶通过互感m 变换 到线圈厶中并且起到具有复数变换阻抗乏的并联振荡回路的作用。 图2 6r f h 3 标签的复数变换阻抗z 的等效电路 r f i d 标签芯片的工作电压片通常需要稳定在3 5 v 【2 1 ，所以为了不依赖于其他参数来 调节电压片，并将保持芯片工作的稳定，于是实际上通过在r f i d 标签芯片阻抗r l 上并 联一个同电压的可调负载电阻足并联，如图2 7 所示。 1 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 广 z 0 m l 1l 2 b j r 2 、 u 2 f 【 蜘、 z 2 ，z t a l ， 图2 7l 强i d 标签负载电阻两端并联分流电阻进行电压调节的原理图 2 3r f i d 标签天线的结构设计技术要点 前面主要介绍了r f i d 标签天线的工作原理，可以看出，在r f i d 标签工作时，很多电 学参数都对其工作性能有很大的影响。为了在对r f i d 标签天线进行结构设计时，对各个参 数进行最优化的调节，还必须更好的了解这些参数之间的关系，以及它们对r f i d 工作性能 的具体影响。 2 3 1r f i d 标签线圈天线的电感厶与结构参数的关系 前面介绍了复数变换阻抗z ：及其复数变换阻抗z 主要与天线电容有密切的关系。由于 r f i d 标签天线电感、阻抗和电容都会对复数变换阻抗有影响，为了更好的理解r f i d 标签 天线这三者的相互关系，接下来介绍r f i d 标签天线电感厶与结构参数的关系。 目前，r f i d 标签线圈天线常用的形式主要有两种：螺旋矩形和螺旋环形，图2 9 所示为目 前最常用的r f i d 标签线圈天线形状。为了从阅读器的载波信号中获取足够多的能量，r f i d 标签线圈天线的谐振频率应等于阅读器的发射频率【2 0 1 。由于在r f i d 标签线圈天线工作时，频 率是固定的，因此，在距离一定的情况下要想在r f i d 标签天线两端感应到足够的开路电压【2 9 1 ， 必须从两方面进行考虑，一方面，是调节标签天线的等效总面积，因为r f i d 标签天线的等效 总面积的大小影响磁通量的大小，进一步影响r f i d 标签的电感及工作能力；另一方面，由于 r f i d 标签天线损耗电阻足表征r f i d 标签天线的能量损耗，因此设计时应使r f i d 标签天线损 耗电阻蜀尽可能的小，而r f i d 标签天线自感厶! 可以用来调节r f i d 标签天线的谐振频率。 1 4 杭州电子科技大学硕十学位论文 图2 9r f i d 标签螺旋矩阵线圈天线正视图和右视图 2 3 2 r f i d 标签天线的等效总面积 一般r f i d 标签天线的面积都比较好计算，而r f i d 标签螺旋矩阵天线计算起来就比较 复杂。如图2 9 所示的是r f i d 标签螺旋形天线，在这里，我们设r f i d 标签线圈圈数为f ， 第一根导线的长度为厶，第二根导线的长度为，第三根导线的长度为，第四根导线的长 度为，d ，厚度为f ，导线宽度为w ，导线间距为g ，而r f i d 标签天线