基于导电银浆材料的RFID标签天线

　　为研究低成本的导电银浆天线性能，以超高频RFID标签天线为例，采用高效且环保的丝网印刷工艺制作了一款S形振子天线，并着重分析了其阻抗、回波损耗特性。通过软件仿真和实物测量结果对比发现，两者数据吻合良好，且性能符合标签天线的工程应用要求。这也表明，导电银浆可用于低成本的天线制造。

　　一、引言

　　射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）技术是一种利用无线信号来实现自动识别或数据交换的射频技术[1]，目前已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域[2,3]。典型的射频识别系统由电子标签、读写器以及数据交换、管理系统等组成。其中，电子标签也称为射频识别卡，具有智能读写及加密通信功能[4]。目前超高频无源RFID标签(UHF Passive RFID Tag)工作于915MHz，由于其可读写距离长、无需外部电源、读写速度快且保密性好等优点，使之成为如今RFID的重点研究对象之一。

　　当前，制造标签天线一般以蚀刻冲压工艺为主，即将铜箔、铝箔覆于绝缘基板上，再经印制蚀刻形成天线。然而，该方法操作复杂、生产费时、成本也高，且会产生大量对环境有害的金属废料及排出物[5]。这严重阻碍了UHF标签投入大规模的生产与应用。鉴于此，本文提出了一种RFID纸基导电银浆天线，可取代传统的铜、铝等制造材料，并改用丝网印刷工艺，既降低了标签的材料成本，又提高了生产效率，具有广大的工程应用前景。

　　导电银浆主要由超细银粉和热塑性树脂组成，印刷于承印物上可起到导线和电阻的作用。它不仅成本较低，固化后还具有良好的导电性、印刷直线性，且附着力强，在纸板、PET、PT、PVC上均可使用[6]。

　　丝网印刷是一种绿色环保型技术，其工艺流程如图1所示[7]。与现今流行的金属蚀刻法相比，它不仅所需设备价格低廉，还可实现一步式高效印刷。此外，丝网印刷不含侵蚀性材料，无需额外投资来适应环保要求，这也同时降低了保养生产线的费用[8]。

　　本文介绍的纸基S形振子银浆天线即采用上述丝网印刷工艺制成。通过对导电银浆材料的天线进行仿真和实物测量，着重分析其阻抗、回波损耗特性，结果验证了本文提出的导电银浆用于标签天线的制造的想法。

　　二、导电银浆天线设计与仿真

　　本文主要研究一个工作于915MHz的S形振子标签天线[9]，图2给出了该天线的结构与尺寸。

　　在加工过程中，本文提出采用CSP-3411A型导电银浆印刷天线，表1给出了所用银浆的性能。天线衬底基板选用常见的铜版纸[10]，标签芯片采用NXP公司的Ucode Gen2，其输入阻抗为34.5-j815Ω。通过使用HFSS软件进行仿真，探究纸基银浆天线的阻抗、回波损耗特性，其中纸质基板的介电常数为2.61，图3为仿真建立的天线模型，表2、图4给出了其仿真结果。

　　观察表2的数据可知，在915MHz时天线的输入阻抗约为30.9+j837.5Ω，与芯片的输入阻抗34.5-j815Ω匹配很好。图4是天线的回波损耗特性，当驻波比<1.5时，由反射系数公式[11]：

　　求得其反射系数，则对应的回波损耗。

　　故带宽为45MHz(882～927MHz)，相对带宽为4.9% 。由此可见，采用本文提出技术设计的天线有较好的回波损耗特性，带宽也满足工程应用的要求。

　　三、实物测量结果与讨论

　　经丝网印刷及烘干等工序后，加工好的S形振子天线如图5所示。考虑到射频测量对环境要求较高，故在微波暗室中使用HP8753D矢量网络分析仪测量该标签天线的阻抗及回波损耗特性 [12]。在频率为915MHz时测量所得的输入阻抗为37.2+j851.8Ω，其实物测量的回波损耗如图6所示。

　　测量结果表明，S形振子银浆天线实际阻抗测量值与仿真值30.9+j837.5

　　Ω相近。此外，从图6中可观察到，实际测量的天线中心频率为902MHz，驻波比小于1.5时的带宽为41MHz（880MHz～921MHz）。表2重新列出了仿真和测量的比较结果，两者较为接近，证明了该银浆天线的性能已达到工程应用要求。

　　四、结论

　　本文介绍了一款用丝网印刷工艺加工制成的纸基银浆S形振子天线，同时给出了仿真与测量结果。仿真中，利用HFSS软件建模，得到阻抗、回波损耗特性，并求知带宽为45MHz。实物测量的数据与仿真结果很相近，其中带宽仅减小了4MHz，这表明导电银浆材料适合用于标签天线制造。又鉴于银浆和纸材料成本较低，且丝网印刷加工高效又环保，故基于导电银浆材料的RFID标签天线具有广泛的应用前景。