微型非晶軟磁RFID標(biāo)簽的設(shè)計

1、微型非晶軟磁RFID標(biāo)簽的設(shè)計摘要：利用非晶軟磁磁感應(yīng)強(qiáng)度高、易產(chǎn)生高次諧波的特點，將鐵鎳鉆基非晶軟磁合金材料作為RFID標(biāo)簽的天線。闡述了微型非晶軟磁RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計思路和方法，使檢測系統(tǒng)可以通過檢測特定諧波存在與否而判斷是否發(fā)生物品失竊，同時又可讀取物品RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)的雙重效果，從而增強(qiáng)了UHF頻段RFID標(biāo)簽的防盜性能，改變了UHF頻段RFID標(biāo)簽怕金屬屏蔽和怕水的缺點。關(guān)鍵詞：射頻識別（RFID）;非晶軟磁；標(biāo)簽；微帶；天線1RFID（射頻識別）技術(shù)簡介RFID（RadioFrequencyIdentity,即射頻識別，俗稱電子標(biāo)簽）技術(shù)是通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)

2、據(jù)，進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識別目標(biāo)并交換數(shù)據(jù)的自動識別技術(shù)。RFID系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽（Tag）、閱讀器（Reader）和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)這3個主要部分組成，其常見的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示；與傳統(tǒng)的自動識別系統(tǒng)（如條形碼等）相比，RFID技術(shù)具有很多優(yōu)勢：它可以無需保持識別的目標(biāo)可見；可以定向或不定向的遠(yuǎn)距離讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)；可以在惡劣環(huán)境下工作；可以透過外部材料讀取數(shù)據(jù)；可以同時處理多個電子標(biāo)簽；可以通過RFID標(biāo)簽對物體進(jìn)行物理定位等在RFID系統(tǒng)中電子標(biāo)簽是其重要的部分，電子標(biāo)簽可以細(xì)分為標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片兩部分。每個電子標(biāo)簽都含有唯一的識別碼，用來表示電子標(biāo)簽所待識別的物體。當(dāng)電子標(biāo)簽的天線

3、接收到閱讀器天線所發(fā)射的信號時，電子標(biāo)簽上芯片被“喚醒”，然后根據(jù)閱讀器發(fā)射的指令完成相應(yīng)的動作，并將響應(yīng)信息發(fā)射回給閱讀器。電子標(biāo)簽都可以反復(fù)讀寫。2非晶軟磁合金(AmorphousAlloys)材料簡介非晶軟磁合金材料是一種采用超急冷凝固技術(shù)，把溫度在1200C以上的合金熔液以106C/S冷速快速冷卻形成厚度約2040卩m的薄帶。其原子排列組合呈現(xiàn)出長程無序的特點，這種原子分布無規(guī)則、無對稱性的結(jié)構(gòu)，使材料具有優(yōu)良的磁電轉(zhuǎn)換性能，從而使得這種軟磁材料在能量轉(zhuǎn)換、傳輸以及信息變換等技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。因非晶軟磁合金材料具有鐵芯損耗小、電阻率高、頻率特性好、磁感應(yīng)強(qiáng)度高、抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點，引

4、起了人們的極大重視，被譽(yù)為21世紀(jì)新型綠色節(jié)能材料。其優(yōu)異軟磁特性都來自于其特殊的組織結(jié)構(gòu)，非晶合金中沒有晶粒和晶界，易于磁化。目前常見的非晶軟磁合金材料有：鐵基非晶、鐵鎳基非晶、鉆基非晶以及納米晶合金等，下表1中列出了非晶軟磁材料的典型性能及主要應(yīng)用領(lǐng)域。上述非晶軟磁合金材料中鐵鎳基非晶合金是由40%Ni、40%Fe及20%類金屬元素所構(gòu)成，它具有中等飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度(0.8T)、較高的初始磁導(dǎo)率和很高的最大磁導(dǎo)率以及高的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)良的韌性。在中、低頻率下具有低的鐵損?？諝庵袩崽幚聿话l(fā)生氧化，經(jīng)磁場退火后可得到很好的矩形回線，價格也比較便宜。由于通常的非晶合金其優(yōu)越性能都需要通過合適的熱處理

5、獲得，而非晶合金的熱處理態(tài)普遍呈顯脆性狀態(tài)，根本不宜用作RFID標(biāo)簽天線，為此我們研制的非晶軟磁材料在鐵鎳非晶合金材料的基礎(chǔ)上添加電解鉆、Fe-B中間合金以及金屬Cr、Mo、Si、Nb等合金元素，從而降低其脆性增強(qiáng)其韌性。因此本RFID標(biāo)簽設(shè)計中采用鐵鎳基鉆基非晶合金(Fe-NiBased-AmorphousAlloy)材料作為電子標(biāo)簽的天線材料。3RFID標(biāo)簽的工作原理按射頻識別系統(tǒng)中的標(biāo)簽獲得能量的方法可以將RFID系統(tǒng)分為無源RFID系統(tǒng)和有源RFID系統(tǒng)兩大類，有源RFID系統(tǒng)的電子標(biāo)簽通過自身帶有的電池供電，無源RFID系統(tǒng)的電子標(biāo)簽自身不帶有電源，需從閱讀器發(fā)出的射頻波束中獲取能量

6、。在無源RFID系統(tǒng)中，根據(jù)工作方式的不同，又可以分為電感藕合式的RFID系統(tǒng)和反射調(diào)制式的RFID系統(tǒng)。本文設(shè)計的是UHF頻段的非晶軟磁RFID標(biāo)簽系統(tǒng)是通過無線電波發(fā)射和反射的方式工作，屬于反射調(diào)制型的RFID系統(tǒng)。其工作原理如圖2所示，閱讀器發(fā)射出射頻信號，經(jīng)過自由空間衰減后，其中一部分功率為X1的射頻信號到達(dá)電子標(biāo)簽天線。在這部分功率為X1的信號中，部分信號成為RFID標(biāo)簽的反射信號載波，功率為X2,其余部分功率為(X1-X2)的信號經(jīng)過高頻整流后轉(zhuǎn)化為能量供應(yīng)RFID標(biāo)簽IC工作。4非晶軟磁RFID微帶天線的設(shè)計微帶天線首先是Deschamps在1953年提出來。最早的實際的微帶天線

7、是Howell和Munson在20世紀(jì)70年代初研制而成。微帶天線有許多優(yōu)點，主要表現(xiàn)在：重量輕，體積小，低剖面，能與載體共形，而且除了在饋電點處要開出引線孔外，不破壞載體的機(jī)械結(jié)構(gòu)；電氣性能多樣化。不同設(shè)計的微帶元，其易于得到各種極化，其最大輻射方向可以從邊射到端射范圍內(nèi)調(diào)整，特殊設(shè)計的微帶元還可以在雙頻或多頻工作；能和器件、電路集成為統(tǒng)一的組件，因此適合大規(guī)模生產(chǎn)，簡化了系統(tǒng)制作和調(diào)試，大大降低了成本。常見的微帶天線可以分為三種基本類型：微帶行波天線、微帶貼片天線和微帶縫隙天線。（1）微帶行波天線。微帶行波天線（MicrostripTravelingAntenna）是由基片、在基片一面上的

8、鏈形周期結(jié)構(gòu)或是普通的長TEM波傳輸線（維持一個TE模）和基片另一面的地板組成。TEM波傳輸線的末端接匹配負(fù)載，當(dāng)天線上維持行波時，可從天線結(jié)構(gòu)設(shè)計上使主波束位于從邊射到端射的任意方向，圖3所示為兩種微帶行波天線的圖形。（2）微帶貼片天線。如圖4所示，微帶貼片天線（MicrostripPatchAntenna）是在基片的一面上有任意形狀的導(dǎo)電貼片和基片另一面上的地板所構(gòu)成。貼片導(dǎo)體一般是由銅基片，基片的基本形狀一般有矩形、圓形、三角形、橢圓形以及圓環(huán)等等。（3）微帶縫隙天線。微帶縫隙天線由微帶饋線和開在地板上的縫隙組成。縫隙可以是矩形，圓形或是環(huán)形。圖5所示為一微帶矩形縫隙天線。本微型非晶軟磁

9、RFID標(biāo)簽天線采用微帶貼片天線，微帶貼片天線的輻射機(jī)理如圖6所示，貼片尺寸為W*L,介質(zhì)基片厚度為h（hvve,凡為自由空間波長）。微帶貼片可看作寬W、長L的一段微帶傳輸線，其終端（w邊）處因為呈現(xiàn)開路，將形成電壓波。一般取L-入/2,入為微帶線上波長。于是另一端（w邊）處也呈電壓波。矩形微帶貼片天線如圖6所示。天線的輻射由貼片四周與接地板間的窄縫形成。由等效性原理知：窄縫上電場的輻射可由面磁流的輻射來等效。等效的面磁流密度為：M-S=-n*E,式中，E是切向電場分量，n是縫隙表面（輻射口徑）的外法線方向單位矢量。根據(jù)分析可知，矩形微帶天線的輻射主要由沿W邊的縫隙產(chǎn)生，該兩邊稱為輻射邊。由于

10、接地板的存在，天線主要向上半空間輻射。因此我們在設(shè)計非晶軟磁微型天線采用雙面微帶貼片，這樣對上下各半空間而言，接地板的效應(yīng)近似等效于引入磁流Ms的正鏡像。由于hvve,因此它只相當(dāng)于將Ms加倍，輻射圖形基本不變。5結(jié)束語本文設(shè)計的主要內(nèi)容圍繞工作在UHF頻段的反射調(diào)制式的射頻識別系統(tǒng)存在的怕水、怕金屬屏蔽的缺陷，設(shè)計了基于鐵鎳鉆基非晶合金材料的雙面微帶天線作為RFID標(biāo)簽的天線，由于鐵鎳鉆基非晶合金材料具有良好的磁感應(yīng)強(qiáng)度，很易產(chǎn)生高次諧波，使檢測系統(tǒng)通過檢測特定諧波存在與否而判斷是否發(fā)生物品失竊，同時又由于RFID標(biāo)簽具有存儲物品信息的功能，從而改變了普通非晶軟磁標(biāo)簽無法存儲商品信息的缺陷，達(dá)到了兩者優(yōu)勢的相互結(jié)合，設(shè)計實現(xiàn)了新型的基于非晶軟磁材料的微型RFID標(biāo)簽