RFID原理与实践 课件 3.1.2 标签结构

标签的结构电子标签结构

电子标签是一个微型的无线收发装置，主要由内置天线和芯片组成。

线圈天线标签芯片基材电子标签结构芯片和标签天线是电子标签最重要的组成部分。芯片——标签的核心，用于生成和处理信号，一般是内部包含集成电路的硅片，体积很小。是射频识别系统真正的数据载体，存储目标信息。芯片内部包含：逻辑控制单元、存储单元、用来对输入输出信号的调制和解调的射频前端电路以及电源电路。天线——发射和接收射频信号的关键部件，一般由金属材料制成，天线的设计好坏将直接影响标签性能。基材——标签的支撑结构，可以由不同的材料构成，如塑料、PET、纸、玻璃、环氧树脂等，为芯片和天线提供机械强度。一般根据实际情况来选择刚性或柔性的衬底材料。标签天线标签天线针对不同的射频识别系统、不同的工作频率和不同的应用领域会有差别。天线结构决定了天线的方向图、阻抗特性、极化特性、天线增益和工作频段等特性；天线增益和阻抗特性对RFID系统的作用距离有较大影响；工作频段对天线尺寸及辐射损耗有较大影响。一般而言，设计标签天线需考虑以下要求：（1）保证性能的前提下尽可能小巧，一般而言，天线的大小决定了电子标签的尺寸。（2）具有较大的增益及功率传输系数。能够为标签芯片提供最大的射频能量，达到较远的读写距离。（3）注意天线的极化特性，避免产生极化隔离。（4）关注与天线连接的芯片的阻抗匹配问题。如果匹配不佳，会导致读写距离的严重下降。（5）加工简单，工艺适合批量生产，严格控制天线的生产成本。按照系统工作原理的不同，标签天线的原理和设计在LF、HF、UHF频段上有根本的不同。电子标签的天线一般可分为近场感应线圈天线和远场辐射天线。线圈天线距离小于1m的低频、高频近距离应用系统的RFID天线一般采用工艺简单、成本低廉的线圈型天线。近场感应线圈天线通常由多匝电感线圈组成，是将金属线盘绕成平面或将金属线缠绕在磁芯上，电感线圈和电容构成并联谐振回路，一般而言线圈获取的能量和匝数成正比。当标签线圈天线进入读写器所引发的电磁场中时，标签天线与读写器天线之间就会产生类似于变压器的作用，读写器的线圈和标签天线的线圈就好比是变压器的初级线圈和次级线圈。图3.2-2线圈天线微带天线远场辐射天线主要包括微带天线、偶极子天线等。偶极子天线（又称对称振子天线）具有准全向的辐射方向图，微带天线具有半球形辐射方向图，这两类天线结构简单、加工方便，易与IC电路集成，非常适合作为标签天线。微带天线具有体积、重量轻、加工简单、易于与物体共形、电性能多样化、易于集成等特点，适合大规模生产，从而大大降低成本。微带天线分两类，一类是微带贴片天线，另一类是微带缝隙天线。微带贴片天线是由贴在带有金属底板的介质基片上的辐射贴片导体构成的。在一个薄介质基板上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。图3.2-3微带天线偶极子天线偶极子天线被广泛应用于RFID标签天线的设计，尤其是在远距离RFID系统中。偶极子天线有多种变形，可分为折叠偶极子、折合偶极子、分形偶极子等类型。直线形偶极子天线由两端同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成，信号从偶极子天线中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上产生一定的电流分布，从而在天线周围空间激发起电磁场。而从具体的工程时间和经济角度考虑，变形偶极子天线有更广泛的应用，如具有尺寸缩减特性的弯折偶极子天线，方便调节阻抗的折合偶极子天线。图3.2-4偶极子天线标签天线制造工艺目前天线制作的方法主要有四种：绕线法、蚀刻法、电镀法和印刷法。绕线法是直接在底基载体上绕上一定的铜线或铝线作为天线，在频率较低的标签中，通常采用线圈天线形式。传统标签天线一般都采用蚀刻或电镀天线为主，其材料一般为铝或者铜，在天线性能方面有很好的表现，缺点就是成本太高。蚀刻法蚀刻法：也称印制腐蚀法，也称减成法印制。先在一个底基载体（如塑料上面覆盖一层20mm~25mm厚的铜或铝，另外制作一张天线阳图的丝网印版，用网印的方法将抗蚀剂印在铜或铝的表面上，保护下面的铜或铝不受腐蚀剂侵蚀，而未被抗蚀剂膜覆盖的铜或铝会被腐蚀剂溶化，露出底基成为天线电路线的间隔线，最后涂上脱膜液去除抗蚀膜，进而制成天线。具体工艺流程如图。电镀法电镀法：也叫印制电镀法，也称加成法印制。在底基上通过网印的方法涂覆一层薄的（几微米）起催化作用的油墨，呈天线的阳图形状。此种特殊油墨含有金属颗粒，在印制之后，印过的材料再经过电镀过程，铜被镀在材料上，只附着在油墨形成的图形上。电镀过程持续到材料上沉积的铜的量达到一定的厚度使之具有合适的导电性，进而形成天线。印刷法直接用导电油墨在绝缘基板（薄膜、纸张等）上印制导电线路，形成天线和电路。导电油墨是由细微导电粒子或其他特殊材料(如导电的聚合物等)组成，印刷到承印物上后，起到导线、天线和电阻的作用。这种油墨印刷在柔性或硬质承印物上可制成印刷电路，用导电油墨印制的天线可接收RFID专用的无线电信号。其优势表现在导电效果出色和成本降低。由于导电油墨的诸多优势，其研制成为RFID印制技术的一个发展热点。标签芯片作为电子标签的数据载体和协议执行核心，标签芯片的基本结构大同小异。芯片内部包含：逻辑控制单元、存储单元、用来对输入输出信号的调制和解调的射频前端电路以及电源电路。射频前端射频前端的作用是为芯片提供能量，完成信号的调制与解调，提供数字基带所需的复位和时钟信号，其中主要包括解调电路、调制电路、电源管理电路、上电复位和时钟电路。电源电路的功能是将电子标签天线获得的射频能量经过整流、滤波、稳压处理后为标签工作提供直流能量。电源产生电路包括耦合电路、整流滤波电路和限幅稳压电路。设计电源电路时，需要综合考虑电子标签天线的匹配问题、功率和电压的效率问题、数据调制的兼容问题和电路结构复杂度问题。时钟电路提供标签所需的时钟信号。时钟信号的同步是实现数据同步的前提。电子标签天线获取的载波信号，经过分频后可以作为电子标签编解码器、存储器和控制器的时钟信号。复位电路可以设置初始状态，防止逻辑混乱，保证电源电路的正常工作，也为系统可能出现的意外情况提供保护。解调电路对接收信号中载波包含的有用信号还原出来再送给数字电路进行处理。当标签向读写器发送信号时，需要将编码后的数据信号调制到载波上，通过调制电路改变天线负载的大小，将信号返回给读写器。数字基带电路数字基带处理器按照空中接口协议约定完成对读写器发送命令的解析，根据解析的命令，操作存储器，完成数据的读取或写入；对需要返回给读写器的数据进行编码，并控制调制电路来完成调制。基带处理器是整个芯片系统的“大脑”，需要生成对标签芯片各模块的控制信号，包括调制解调、基带处理以及系统时钟校准等。低功耗要求是数字基带设计的重点和难点。存储模块存储模块存放电子编码和用户数据。存储器主要性能参数包括存储容量、读功耗、写功耗等指标，电子标签中采用的主要有以下几种类型：只读存储器（ROM）。一次写入只读电子标签存储器，电子标签内部有只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）。可读写标签存储器。主要有以下几种方式：电可擦除只读存储器(EEPROM)。具有静止存取功能的存储器（SRAM）。铁电存储器（FRAM）。标签封装为了保护标签芯片和天线，也为了使用方便，电子标签需要用不同的材料、不同的形式进行封装，以适应不同的应用领域和使用环境。封装在电子标签的硬件成本中占据了一半以上的比重，是产业链中重要的一环。标签封装不管RFID电子标签的形态千变万化，其封装制造工艺过程都包含两次封装。分别在RFID芯片上制作凸点，基板材料上制作天线，然后封装芯片实现芯片和基板天线的互连，经检验合格后制成RFID标签内核层（Inlay），至此完成RFID标签的第一次封装；第一次封装的另一种方法是AlienTechnology、Philips首先采用的芯片引线框架法。安