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宽频RFID超高频天线和标签以及其制造方法
    【技术领域】

    本发明涉及射频识别(RFID)技术中的应答器，特别是涉及到应答器中RFID超高频天线以及电子标签。

    背景技术

    RFID系统的应答器和读写器之间无需物理接触就可完成识别，因此RFID较条形码有着不可取代的优势：第一，可以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；第二，采用无线电射频，可以通过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光读取信息；第三，可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。此外，标签存储的信息量较条形码大得多。

    射频识别系统的主要区别特征包括读写器的工作频率、读写器与应答器之间的物理耦合方法和系统的作用距离。其中超高频(UHF)无源RFID标签由于其工作频率高，可读写距离长，无需外部电源，制造成本低，目前成为了RFID研究的重点方向之一，有可能成为在不久的将来RFID领域的主流产品。

    按照RFID系统的工作方式不同，电子标签天线一般可分为近场感应线圈天线和远场辐射天线。所谓近场和远场是根据电磁场摆脱天线作为电磁波进入空间的位置进行划分的，即从天线到形成电磁场的范围称为天线的近场，从离开天线到完全形成电磁波的范围称为远场，二者的分界为距离天线λ/2π，其中，λ为天线辐射的电磁波的波长。

    近场感应线圈天线通常由多匝电感线圈所组成，远场辐射天线主要包括电场偶极子天线、对称振子天线以及微带天线。远场辐射天线通常是谐振式的，一般长度取为半波长。因此，工作频率的大小决定着天线尺寸的大小；天线的大小又常常决定着使用该天线的射频识别标签/卡的大小；较高的工作频率可以实现较小的射频识别卡尺寸。

    一般来说，RFID标签包括半导体芯片和高频天线，数据可以被编程及被重新写入半导体芯片中。半导体芯片与高频天线直接耦合(例如通过引线接合(wirebounding)、倒装芯片(Flip Chip)封装)，或作为SMD(表面贴装)器件(例如TSSOP，薄型小尺寸封装)安装到高频天线。半导体芯片和高频天线设置在载体基板上，该载体基板可以由塑料材料制成。该系统也可以制造在印制电路板(PCB)上。

    一个好的RFID标签应用系统，应当考虑如下问题：标识物的特性(货盘，容器，单品，纸包装，金属，液体等)；标签之间有多大的空间；标签工作需要遵守的当地法规；读写器天线与标识物的相对位置(距离，安装方位，辐射场方向)等，以上各方面特性，可以用下列参数进行评估：标签在不同介质表面的灵敏度；频率灵敏度；空间性能。

    关于RFID的天线及天线设计方法，现有技术中有许多专利已对此进行了研究，但是该等现有技术的天线均只能应用于单一的工作方式，即其作用范围只能是远场或近场之一。这就极大地限制了射频应答器的使用范围。同时，现有技术的天线即使在单纯的近场范围内其工作频率范围也局限于一较窄的区间。

    并且，由于对于无源应答器而言，其能量完全来自天线的从阅读器接收的能量，即使是对有源应答器，其信息传输所用的能量也来自天线从阅读器接收的能量，因此，天线的阻抗匹配对于能量接收至关重要，而现有技术的天线在较宽的工作频率范围内的阻抗匹配效果也不理想。

    【发明内容】

    本发明的目的是为了克服现有技术的上述缺点，提供一种能工作在较宽的频率范围内，且既能工作于近场距离范围也能工作于远场距离范围，并且阻抗匹配良好的射频天线。

    为此，一种宽频RFID超高频天线，用于与RFID芯片连接，其特征在于，所述天线包括级联在一起的一近场天线及一远场天线，且所述近场天线和所述远场天线为两个分立的部分相互贴合而成所述超高频天线。

    本发明还提供了使用上述宽频RFID超高频天线的电子标签，其包括应答器天线、与之电性连接的应答器芯片及包覆所述应答器天线和应答器芯片的保护膜，其特征在于，所述应答器天线包括级联在一起的一近场天线及一远场天线，且所述远场天线与所述近场天线贴合而成电性连接。

    与此同时，本发明提供了一种上述电子标签的制造方法包括以下步骤：

    S1：制备RFID芯片；

    S2：制造作为近场天线的闭合感应线圈，在闭合感应线圈上进行芯片倒装；；

    S3：闭合感应线圈分切层压；

    S4：对作为远场天线的偶极子天线进行制造模切；

    S5：进行电子标签印刷；

    S6：电子标签的复合，将近场天线与远场天线以贴合的方式使之级联电性连接。

    使用本发明的射频天线和标签可以获得如下有益效果：(1)本发明的天线工作距离范围包括近场或远场范围，且其工作频率范围就可以覆盖整个RFIDUHF频段(830MHz‑950MHz)内的散射参数都很小，增益变化曲线很平稳，可以无失真的辐射信号，因此具有广泛的适应性。(2)在频带范围内，阻抗值很稳定，此天线可以与多种阻抗的芯片相匹配，这样就没有必要专门为某种芯片设计天线，在实际工作中可以大大的减小工作量。(3)标签天线的材料及厚度对UHF天线的性能影响很小。这样在生产UHF产品时可以根据需要选择合适的天线厚度、控制天线材料的成本，而不用担心会造成天线性能的改变。

    使用本发明的方法来制造该电子标签则由于“闭合线圈”先与芯片邦定；“远场天线”则可以采用模切的方式，从大卷铝箔/铜箔镀层材料上直接获得任意设计的尺寸和形状。然后将闭合线圈与“增益放大器”贴合在一块，闭合线圈的能量在Z向通过电磁感应耦合到“增益放大器”上。通过这种方法减少了现有邦定工艺中苛刻的位置精度要求、导电胶固化温度和剂量、压力和时间等很多精密的控制步骤；并且各种材料和步骤简单便捷，容易实现，降低了现有RFID的加工门槛，减少并优化了类似半导体的加工产业链和生产工艺。

    【附图说明】

    下面结合附图对本发明的上述的和其它的特征和优点做详细说明：

    图1为本发明RFID天线的结构示意图；

    图2为半波长折叠偶极子天线结构一实施例示意图；

    图3为本发明天线在830MHz‑950MHz频率范围内的增益曲线；

    图4a‑4c为频率改变时，本发明天线在xz面和yz面的远场归一化辐射方向图，图4a为915MHz，图4b为830MHz，图4c为950MHz；

    图5为半波长折叠偶极子天线的反射系数随频率变化的曲线；

    图6为半波长折叠偶极子天线的阻抗在830MHz‑950MHz内的变化曲线；

    图7为电子标签的等效二端口匹配网络电路示意图；

    图8a、8b为增加蛇形线前后天线的阻抗变化示意图，图8a为虚部，图8b为实部；

    图9a、9b为增加小环前后天线的阻抗变化示意图，图9a为虚部，图9b为实部；

    图10为经匹配后天线的反射系数曲线；

    图11为芯片的阻抗取不同值时，反射系数的比较曲线；

    图12a、12b为天线材料的厚度取不同值时，其阻抗的比较曲线，图12a为实部，图12b为虚部；

    图13是单独的电感线圈和本发明天线的增益比较示意图；

    图14为闭合线圈的结构；

    图15所示为闭合线圈与凹形天线的反射损耗曲线；

    图16A与16B为闭合线圈与凹形天线在830MHz‑950MHz频段内的增益比较；

    图17为RFID标签的各部分结构剖视图；

    图18为现有技术中RFID标签的生产工艺流程示意图；

    图19为本发明的RFID生产工艺流程示意图。

    【具体实施方式】

    本发明的一种宽频RFID超高频天线的具体实施方式如图1所示，从图中可以清楚看出，该天线包括级联组合在一起的一近场天线及一远场天线。通过将远场和近场天线结合而实现近场、远场两种不同的工作方式。其中，较佳地，近场天线为感应线圈2，所述远场天线为偶极子天线1。并且，为实现与RFID芯片的阻抗匹配，所述RFID超高频天线的感应线圈和偶极子天线之间并联连接有蛇行线，蛇形线的一端与感应线圈2连接，另一端与偶极子天线的短截线4连接。

    其中，偶极子天线的尺寸与其工作频率有关，例如，工作在915MHz的半波长偶极子天线长度为164mm，为减小天线所占体积，一般把偶极子天线的两个臂折叠，例如，一种折叠偶极子天线的实现形式如图2所示。其各项特性如图3到图6所示。

    图3为偶极子天线在830MHz‑950MHz频率范围内的增益曲线。如图3所示，在整个工作频带内，天线的增益都大于1.5dBi，在890MHz可达到最大值1.88dBi。在整个工作频带内，增益的变化辐度在0.4dB以内，曲线变化很平稳，所以天线可以无失真的发送信号。由图3可见，在工作频段内，随着频率的升高，天线的辐射方向图无畸变。天线在xz面具有很好的全向性，可以全向辐射。所以在工程施工和现场应用时，要沿着天线的xz面安装读写器，才可以保证系统具有良好的读写性能。

    图4a‑4c为频率改变时，偶极子天线在xz面和yz面的远场归一化辐射方向图，图4a为915MHz，图4b为830MHz，图4c为950MHz。由图4a‑4c可见，折叠偶极子天线小于‑10dB的工作范围是866MHz‑926MHz，阻抗带宽是60MHz。

    图5为半波长折叠偶极子天线的反射系数随频率变化的曲线；图6为半波长折叠偶极子天线的阻抗在830MHz‑950MHz内的变化曲线。由图5、图6可见，此时天线在这个频段达到谐振，Q值较大，为了增加阻抗带宽，就要减小Q值，并使天线与芯片阻抗共轭匹配。

    下面以设天线邦定(bounding)的是Philip NXP芯片，芯片的阻抗为20‑j151为例说明根据本发明的天线的阻抗匹配设计，但并非据以局限本发明的范围，天线结合任意其它RFID芯片的阻抗匹配设计，只要不超出本发明的思想和范围均应视为落入本发明的保护范围。

    一般来说，因为芯片的阻抗是20‑j151，为达到阻抗匹配。要使天线在宽的频带范围内的阻抗为20+j151。

    通过频率仿真计算，上述偶极子天线在915MHz的阻抗是43+j19(ohm)，与芯片阻抗相差较大，显然需要进一步匹配。其方式为通过设计与之级联的感应线圈2的等效阻抗实现。关于并联等效阻抗的计算为现有技术一般常识，在此不加赘述。

    而一种优选的实现精确阻抗匹配的方式为，加入匹配阻抗网络。加入阻抗网络后的电路整体示意图如图7所示。其中，二端口无源匹配网络使天线端和IC端均满足共轭匹配条件。例如，根据本发明的一个优选实施例，匹配网络包括蛇形线3和感应线圈2，如图1所示。以下为叙述方便，感应线圈2又称为“小环”。

    其中，小环的输入阻抗的实部包括辐射电阻R_radiation和小环的传导损耗R_loss两部分。小环的辐射电阻可由下式确定：

     $R_{\mathrm{rediation}}=31171{\left(\frac{A}{{\mathrm{\λ}}^2}\right)}^2={20\mathrm{\π}}^2\frac{C^4}{{\mathrm{\λ}}^4}=197C_{\mathrm{\λ}}^4---\left(1\right)$

    式中，A是小环的面积，C是小环的周长，C_λ是用波长度量的小环周长。由式(1)可见，天线电阻主要由环的面积决定。

    小环的电感L_A与小环的尺寸的关系如下式：

     $L_A={\mathrm{\μ}}_0\frac{A_c}{l_m}---\left(2\right)$

    式中，A_c为小环的面积，1_m为小环的长度。

    由公式(1)可得，小环阻抗的实部近似为0，小环相当于一个纯电感元件，通过调节小环的长宽尺寸，可以调整其电感值大小。蛇形线相当于一个电容，通过调节蛇形线的数目、间距、线宽，可以改变其电容值大小。

    通过调节并联的小环和并联的蛇形线，可以相应的调整并联电感和并联电容的大小，从而通过调整匹配电路，最终实现天线与芯片阻抗匹配。

    下面结合附图对小环和蛇行线的作用进行说明。图8a、8b为增加蛇形线前后天线的阻抗变化示意图，图8a为虚部，图8b为实部。如图8a、8b所示，不加蛇形线时，天线的阻抗的实部和虚部在频率范围内有较大波动，很难保证在整个频率范围内都与芯片阻抗匹配。

    图9a、9b为增加小环前后天线的阻抗变化示意图，图9a为虚部，图9b为实部。如图9所示，不加小环时，天线的阻抗的实部和虚部都很大，且有很大的波动，加入小环，相当于并联了一个电感元件，可以把天线的高阻抗变成低阻抗，从而与芯片很好的匹配。

    图10为经匹配后天线的反射系数曲线。比较图5和图10可见，加入匹配网络后，天线的阻抗在830MHz‑950MHz的宽频带内，都与芯片有很好的匹配，反射损耗都很小(<‑25dB)，在890MHz可以达到最小值‑33dB。可见本发明天线与芯片具有良好的阻抗匹配性能，并且，芯片与天线间只需一个邦定点，其工作范围就可以覆盖整个RFID UHF频段。

    图11为芯片的阻抗取不同值时，反射系数的比较曲线；如图11所示，本实施例的天线在工作频率范围内，邦定阻抗为20‑j151的芯片时，散射参数最小，即与天线的匹配最好。阻抗为40‑j190和59‑j242的芯片与天线的匹配稍差，但散射参数在频率范围内也都小于‑10dB，这在实际应用中是可以接受的。此天线可以与多种阻抗的芯片相匹配，这样就没有必要专门为某种芯片设计天线，在实际工作中可以大大的减小工作量。

    同时，本发明还提供了一种宽频RFID超高频射频标签，其包括应答器天线、与之电性连接的应答器芯片及包覆所述应答器天线和应答器芯片的保护膜，可以通过丝网印刷或蚀刻技术将应答器的天线安装到该保护膜上，关于射频标签的制造方法在现有技术中多有论及，在此就不再赘述。其与现有RFID标签的区别在于，所述应答器天线包括级联在一起的一近场天线及一远场天线。即所述宽频RFID超高频射频标签使用上述本发明所涉及的各种天线。

    本发明天线的实现可以为将近场天线蚀刻在覆铝的PET衬底上，而远场天线单独制造，二者分立，并通过贴合的方式电性链接。制成标签时，则标签尺寸在天线尺寸的基础上周围各增加3—5mm。

    图12a、12b为天线材料的厚度取不同值时，其阻抗的比较曲线，图12a为实部，图12b为虚部。如图12所示，天线材料的厚度取5um，10um，15um时，它们的阻抗的实部和虚部都基本保持一致，所以天线材料的厚度对UHF标签天线性能的影响很小。这样在生产UHF产品时，可以根据需要选择合适的天线厚度、控制天线材料的成本，而不用担心会造成天线性能的改变。

    由于天线材料的厚度对UHF天线的性能影响很小。这为生产UHF时选择合适的天线厚度、控制天线材料的成本提供了很好的理论支持。同时也表明天线材料厚度对天线性能的影响有限，跟采用什么芯片进行匹配绑定，关系也不大。

    图13是单独的电感线圈和本发明天线的增益比较示意图。从图13中看到，在工作频率范围内，闭合线圈在远场的增益很小，只有‑10dBi左右。当加上偶极子天线后，增益提高到1.6dBi左右，提高了10dB。对于闭合线圈来说，外围的偶极子相当于一个“增益放大器”，可以大大的提高整体的增益。

    同时，本发明的标签可为邦定了芯片的闭合线圈与一远场天线组合而成。邦定了芯片的闭合线圈可以在近场工作，当加上作为增益放大器的远场天线后，闭合线圈的能量通过Z向感应耦合到增益放大器上，并把能量向远场辐射，从而实现标签天线在远场工作。这样天线就可以灵活得实现远近场工作。

    “闭合线圈”是近场UHF，用于单品级标识的解决方法；加上增益放大器后是远场UHF，用于830‑940MHz频段INLAY或智能标签的解决方法。

    RFID标签加工厂家平时可以备货闭合线圈，然后根据实际应用环境和需求，单独进行增益放大器的设计即可，可靠而灵活，具备很好的环境适应性性。

    下面，对根据本发明的RFID标签的性能进行说明。

    标签读取的范围可以用以下Frills公式计算：

     $r=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{4\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{P_t{G}_t{G}_r\mathrm{\&tau;}}{P_{\mathrm{th}}}}---\left(3\right)$

    其中：λ为工作波长，随频率而变化，P_t为读写器发射功率，G_t为读写器发射天线的增益；G_r为标签天线的增益，P_th为(标签灵敏度)供给RFID标签芯片充足能源的最小的必备功率；τ为功率传输系数，设芯片阻抗表示为Z_c＝R_c+jX_c，天线阻抗表示为Z_a＝R_a+jX_a，则

     $\begin{array}{cc}\mathrm{\&tau;}=\frac{{4R}_c{R}_a}{{|Z_a+Z_c|}^2},& 0\&le;\mathrm{\&tau;}\&le;1\end{array}---\left(4\right)$

    例如，NXP芯片灵敏度P_th＝‑14dBm(40uw)，根据公式(4)，可得在工作频带范围内，τ≈0.9，

    由图示可知，天线的增益约为1.8dBi(1.51)，故，在不同频率区间的天线各项参数如下：

    1)902‑928MHz时，EIRP＝4w

     $\sqrt{902\&times;928}=915\mathrm{MHz}$

     $r_1=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{4\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{\mathrm{EIRP}\&CenterDot;G_r\mathrm{\&tau;}}{P_{\mathrm{th}}}}=0.0261\sqrt{\frac{4\&times;1.51\&times;0.9}{4\&times;{10}^{-5}}}=9.73m$

    2)866‑868MHz时，ERP＝2w

     $\sqrt{866\&times;868}=867\mathrm{MHz}$

     $r_2=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{4\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{\mathrm{ERP}\&times;1.67\&CenterDot;G_r\mathrm{\&tau;}}{P_{\mathrm{th}}}}=0.02755\&times;\sqrt{\frac{2\&times;1.67\&times;1.51\&times;0.9}{4\&times;{10}^{-5}}}=9.31m$

    3)860‑960MHz时，ERP＝1w

     $\sqrt{860\&times;960}=908.6\mathrm{MHz}$

     $r_3=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{4\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{\mathrm{ERP}\&times;1.67\&CenterDot;G_r\mathrm{\&tau;}}{P_{\mathrm{th}}}}=0.0263\&times;\sqrt{\frac{1\&times;1.67\&times;1.51\&times;0.9}{4\&times;{10}^{-5}}}=6.27m$

    所以此RFID标签可以在830MHz‑960MHz宽频带内工作，能够符合多个国家的标准。北美902‑928MHz，日本957‑958MHz，中国840‑845MHz、920‑925MHz，欧洲860‑930MHz。由上可见，本发明的标签适应世界各个主要地区频率标准，而且读取距离也完全满足各地应用。

    RFID标签加工厂家平时可以备货邦定了芯片的“闭合线圈”，如需近场工作的标签，直接进行复合就可以用；如需远场工作的标签，只需根据实际应用环境和需求，单独进行“增益放大器”的设计，然后把它叠加到已有的闭合线圈上。这样标签就可以灵活得实现远近场工作，具有很好的环境适应性。等时机成熟，未来还可以考虑直接采用“片上天线(自带天线的芯片)”与“增益放大器”进行直接组合。

    本发明的闭合线圈，作为单品级应用而工作在读写器的近场区域时，UHFG2标签放在液体中或者粘贴在金属物品上，都可以正常工作。这是由于液体和金属会影响UHF标签的远场特性，但是近场除外。在液体应用中，UHF G2标签不仅能够在液体表面工作，也可以在液体里面工作。

    单品级标识RFID技术的大量应用，很大程度上受到多个加工阶段及其加工成本的影响，以上构思意味着UHF大量材料成本的改变。本发明不仅提出了优化的智能标签制造价值链，而且还是全新的和创新性的UHF标签生产解决方案。本发明因为采用了叠加“增益放大器”的方法，所以实际上提高了加工的成品率，相应地也提高了系统的成功读取率ROI。同时把天线设计的难度降低为增益放大器的设计，而更多的关注与实际应用的匹配；把加工工艺的难度降低为贴合的控制，更多的关注成本的降低和产品合格率的控制。

    根据本发明的宽频RFID超高频电子标签，其包括应答器天线、与之电性连接的应答器芯片及包覆所述应答器天线和应答器芯片的保护膜，而所述应答器天线包括级联在一起的一近场天线及一远场天线，且所述远场天线与所述近场天线贴合而成电性连接。较佳地方式为，所述近场天线为感应线圈，所述远场天线为折叠偶极子天线，所述感应线圈和偶极子天线之间并联连接有蛇行线。

    其与现有RFID电子标签的主要区别在于同时具有近场天线和远场天线，且二者是分别制造而后贴合而成，并非一体刻蚀或印刷。为了构造本发明的电子标签，也需要有与现有电子标签不同的制造方法。

    图14为本发明近场天线的闭合线圈的结构；图15所示为闭合线圈与凹形天线的反射损耗曲线；图16A与16B为闭合线圈与凹形天线在830MHz‑950MHz频段内的增益比较；上述图示说明了增加了作为“增益放大器”的偶极子后给天线性能带来的变化。

    下面结合图17‑19说明本发明的电子标签制造方法。图17为RFID标签的各部分结构剖视图；从图中可见，闭合线圈可以是刻蚀或印刷于基材之上，而偶极子天线与闭合线圈之间由基材相隔。

    图18为现有技术中RFID标签的生产工艺流程示意图；一般来说，RFID标签的制造包括制备RFID芯片；制造作为天线的闭合感应线圈和/或偶极子天线，在天线上进行芯片倒装；天线条带分切层压；进行电子标签印刷；以及电子标签的复合。

    图19为本发明的RFID生产工艺流程示意图。其与现有技术的主要区别在于，作为天线的两部分不是一次同时制备，例如，不是作为一个整体图案在基材上刻蚀或印刷，二是先制备近场天线，之后倒装芯片，而远场天线另外单独制备，最后将已完成芯片倒装的近场天线与制备好的远场天线以贴合或其它简单易行的连接方式电性连接。其过程具体如下：

    S1：准备RFID芯片，在晶圆上制备芯片；此一步骤亦可是选取现有的RFID芯片；

    S2：制造作为近场天线的闭合感应线圈，在闭合感应线圈上进行RFID芯片倒装；

    S3：闭合感应线圈分切层压，本步骤与现有技术相同；

    S4：对作为远场天线的偶极子天线进行制造模切；将近场天线与远场天线电性连接，并使之为相互级联；

    S5：进行电子标签印刷，本步骤与现有技术相同；

    S6：电子标签的复合，本步骤与现有技术相同。

    较佳地，所述偶极子天线进行制造模切是在铝箔上模切出所需形状和尺寸的偶极子天线。

    本发明采用两部分剖分和叠加的方式实现生产。“闭合线圈”已经邦定有芯片，粘在热敏纸(粘性硅油纸)上；“增益放大器”可以采用模切的方式，从大卷铝箔/铜箔镀层材料上直接获得任意设计的尺寸和形状。然后将闭合线圈与“增益放大器”贴合在一块，闭合线圈的能量在Z向通过电磁感应耦合到“增益放大器”上。通过这种方法减少了现有邦定工艺中苛刻的位置精度要求、导电胶固化温度和剂量、压力和时间等很多精密的控制步骤；同时还可以避免焊接过程中的松动，并且各种材料和步骤简单便捷，容易实现，降低了现有RFID的加工门槛，减少并优化了类似半导体的加工产业链和生产工艺。

    以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。