微型非晶软磁RFID标签的设计

1、微型非晶软磁RFID标签的设计摘要：利用非晶软磁磁感应强度高、易产生高次谐波的特点，将铁镍钻基非晶软磁合金材料作为RFID标签的天线。阐述了微型非晶软磁RFID标签天线的设计思路和方法，使检测系统可以通过检测特定谐波存在与否而判断是否发生物品失窃，同时又可读取物品RFID标签数据的双重效果，从而增强了UHF频段RFID标签的防盗性能，改变了UHF频段RFID标签怕金属屏蔽和怕水的缺点。关键词：射频识别（RFID）;非晶软磁；标签；微带；天线1RFID（射频识别）技术简介RFID（RadioFrequencyIdentity,即射频识别，俗称电子标签）技术是通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数

2、据，进行非接触双向通信，以达到识别目标并交换数据的自动识别技术。RFID系统主要由电子标签（Tag）、阅读器（Reader）和数据管理系统这3个主要部分组成，其常见的系统结构如图1所示；与传统的自动识别系统（如条形码等）相比，RFID技术具有很多优势：它可以无需保持识别的目标可见；可以定向或不定向的远距离读取或写入数据；可以在恶劣环境下工作；可以透过外部材料读取数据；可以同时处理多个电子标签；可以通过RFID标签对物体进行物理定位等在RFID系统中电子标签是其重要的部分，电子标签可以细分为标签天线和标签芯片两部分。每个电子标签都含有唯一的识别码，用来表示电子标签所待识别的物体。当电子标签的天线

3、接收到阅读器天线所发射的信号时，电子标签上芯片被“唤醒”，然后根据阅读器发射的指令完成相应的动作，并将响应信息发射回给阅读器。电子标签都可以反复读写。2非晶软磁合金(AmorphousAlloys)材料简介非晶软磁合金材料是一种采用超急冷凝固技术，把温度在1200C以上的合金熔液以106C/S冷速快速冷却形成厚度约2040卩m的薄带。其原子排列组合呈现出长程无序的特点，这种原子分布无规则、无对称性的结构，使材料具有优良的磁电转换性能，从而使得这种软磁材料在能量转换、传输以及信息变换等技术中得到了广泛应用。因非晶软磁合金材料具有铁芯损耗小、电阻率高、频率特性好、磁感应强度高、抗腐蚀性强等优点，引

4、起了人们的极大重视，被誉为21世纪新型绿色节能材料。其优异软磁特性都来自于其特殊的组织结构，非晶合金中没有晶粒和晶界，易于磁化。目前常见的非晶软磁合金材料有：铁基非晶、铁镍基非晶、钻基非晶以及纳米晶合金等，下表1中列出了非晶软磁材料的典型性能及主要应用领域。上述非晶软磁合金材料中铁镍基非晶合金是由40%Ni、40%Fe及20%类金属元素所构成，它具有中等饱和磁感应强度(0.8T)、较高的初始磁导率和很高的最大磁导率以及高的机械强度和优良的韧性。在中、低频率下具有低的铁损。空气中热处理不发生氧化，经磁场退火后可得到很好的矩形回线，价格也比较便宜。由于通常的非晶合金其优越性能都需要通过合适的热处理

5、获得，而非晶合金的热处理态普遍呈显脆性状态，根本不宜用作RFID标签天线，为此我们研制的非晶软磁材料在铁镍非晶合金材料的基础上添加电解钻、Fe-B中间合金以及金属Cr、Mo、Si、Nb等合金元素，从而降低其脆性增强其韧性。因此本RFID标签设计中采用铁镍基钻基非晶合金(Fe-NiBased-AmorphousAlloy)材料作为电子标签的天线材料。3RFID标签的工作原理按射频识别系统中的标签获得能量的方法可以将RFID系统分为无源RFID系统和有源RFID系统两大类，有源RFID系统的电子标签通过自身带有的电池供电，无源RFID系统的电子标签自身不带有电源，需从阅读器发出的射频波束中获取能量

6、。在无源RFID系统中，根据工作方式的不同，又可以分为电感藕合式的RFID系统和反射调制式的RFID系统。本文设计的是UHF频段的非晶软磁RFID标签系统是通过无线电波发射和反射的方式工作，属于反射调制型的RFID系统。其工作原理如图2所示，阅读器发射出射频信号，经过自由空间衰减后，其中一部分功率为X1的射频信号到达电子标签天线。在这部分功率为X1的信号中，部分信号成为RFID标签的反射信号载波，功率为X2,其余部分功率为(X1-X2)的信号经过高频整流后转化为能量供应RFID标签IC工作。4非晶软磁RFID微带天线的设计微带天线首先是Deschamps在1953年提出来。最早的实际的微带天线

7、是Howell和Munson在20世纪70年代初研制而成。微带天线有许多优点，主要表现在：重量轻，体积小，低剖面，能与载体共形，而且除了在馈电点处要开出引线孔外，不破坏载体的机械结构；电气性能多样化。不同设计的微带元，其易于得到各种极化，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整，特殊设计的微带元还可以在双频或多频工作；能和器件、电路集成为统一的组件，因此适合大规模生产，简化了系统制作和调试，大大降低了成本。常见的微带天线可以分为三种基本类型：微带行波天线、微带贴片天线和微带缝隙天线。（1）微带行波天线。微带行波天线（MicrostripTravelingAntenna）是由基片、在基片一面上的

8、链形周期结构或是普通的长TEM波传输线（维持一个TE模）和基片另一面的地板组成。TEM波传输线的末端接匹配负载，当天线上维持行波时，可从天线结构设计上使主波束位于从边射到端射的任意方向，图3所示为两种微带行波天线的图形。（2）微带贴片天线。如图4所示，微带贴片天线（MicrostripPatchAntenna）是在基片的一面上有任意形状的导电贴片和基片另一面上的地板所构成。贴片导体一般是由铜基片，基片的基本形状一般有矩形、圆形、三角形、椭圆形以及圆环等等。（3）微带缝隙天线。微带缝隙天线由微带馈线和开在地板上的缝隙组成。缝隙可以是矩形，圆形或是环形。图5所示为一微带矩形缝隙天线。本微型非晶软磁

9、RFID标签天线采用微带贴片天线，微带贴片天线的辐射机理如图6所示，贴片尺寸为W*L,介质基片厚度为h（hvve,凡为自由空间波长）。微带贴片可看作宽W、长L的一段微带传输线，其终端（w边）处因为呈现开路，将形成电压波。一般取L-入/2,入为微带线上波长。于是另一端（w边）处也呈电压波。矩形微带贴片天线如图6所示。天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成。由等效性原理知：窄缝上电场的辐射可由面磁流的辐射来等效。等效的面磁流密度为：M-S=-n*E,式中，E是切向电场分量，n是缝隙表面（辐射口径）的外法线方向单位矢量。根据分析可知，矩形微带天线的辐射主要由沿W边的缝隙产生，该两边称为辐射边。由于

10、接地板的存在，天线主要向上半空间辐射。因此我们在设计非晶软磁微型天线采用双面微带贴片，这样对上下各半空间而言，接地板的效应近似等效于引入磁流Ms的正镜像。由于hvve,因此它只相当于将Ms加倍，辐射图形基本不变。5结束语本文设计的主要内容围绕工作在UHF频段的反射调制式的射频识别系统存在的怕水、怕金属屏蔽的缺陷，设计了基于铁镍钻基非晶合金材料的双面微带天线作为RFID标签的天线，由于铁镍钻基非晶合金材料具有良好的磁感应强度，很易产生高次谐波，使检测系统通过检测特定谐波存在与否而判断是否发生物品失窃，同时又由于RFID标签具有存储物品信息的功能，从而改变了普通非晶软磁标签无法存储商品信息的缺陷，达到了两者优势的相互结合，设计实现了新型的基于非晶软磁材料的微型RFID标签