一种用于PCB生产过程跟踪与控制的无源RFID标签的制作方法
本发明是涉及电子信息工程技术领域，具体的说是一种用于pcb生产过程跟踪与控制的无源rfid标签。
背景技术
射频识别(rfid)技术是一项基于非接触式的目标识别技术，通过在发射机(阅读器)发出的射频信号的基础上，接收并处理应答器(标签)返回的电磁信号实现收发系统间的信息传递。rfid系统一般由标签、阅读器和后台处理器三个部分组成。标签由rfid芯片及标签天线构成，标签芯片中存储着唯一的用于标识所附着物体的数字身份信息。阅读器通过其自身的天线发射和接收射频信号，以修改和读取标签内部的信息。后台处理器包括了中间件、信息处理系统和数据库等，通常用于对数据进行管理，实现通信及数据传输。近期，得益于其低成本、信息可交互性等优点，rfid技术开始被应用于pcb生产过程记录和产品追踪。
要实现pcb生产过程记录和产品追踪，即要求贴附于pcb表面的rfid标签在pcb生产、存储、运输过程中可读，即要求rfid标签具有抗金属特性。目前已发表的相关研究中，性能最佳的是英国julienviret等人提出的将rfid标签嵌入pcb板的设计，需要预先在pcb内部开槽以放置标签并避免其芯片受到压力，生产过程复杂且破坏了pcb结构、不适用于已出产的pcb。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种用于pcb生产过程跟踪与控制的无源rfid标签，该种标签可以利用面积较小的pcb废料区，通过离散型的天线实现标签功能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种用于pcb生产过程跟踪与控制的无源rfid标签，其特征是：包括rfid芯片及标签天线，所述的rfid芯片焊接在pcb板上，rfid芯片一侧与接地结构连接，另一侧与标签天线连接，所述的标签天线印刷在pcb板上，所述的标签天线采用离散化设计；
所述的pcb板包括电路印刷区和废料区，所述的电路印刷区内印刷有电路结构，电路印刷区设置在的pcb板的中央，所述的电路印刷区的外围为废料区，所述的废料区内设置有标签区，所述的接地结构、rfid芯片和标签天线均设置在标签区内；
所述的电路印刷区和标签区之间设置有隔离结构，所述的隔离结构能够减少标签天线与电路结构之间的影响。
为优化上述发明，采取的具体措施还包括：
所述的标签天线为倒f结构，标签天线所在的区域为天线辐射区域，所述的天线辐射区域由若干小尺寸线段矩阵设置组成，每段小尺寸线段上设置有实体金属段或为空白段，实体金属段连接形成标签天线。
所述的天线辐射区域内的标签天线形状是通过设计目标函数，再将目标函数通过仿真软件hfss和visualc开展优化得出，其优化目标是提高增益，提高能量传输系数。
目标函数为：
其中wi代表权重，
所述的标签天线印刷在介质层表面，标签天线的实体金属段由pcb板表面的金属涂层蚀刻形成。
所述的pcb板为单层pcb板或多层pcb板。
所述的隔离结构为隔槽，所述的隔槽设置在电路印刷区和废料区的交界处。
设计过程中，根据废料区的形状和尺寸，选定一种天线结构，该种天线结构可为环状结构，倒f结构，pifa结构等，利用选定的天线结构作为设计基础，在标签区中的选定的设计区域中进行全部或部分离散化设计，形成较小的碎片或网格，通过对每个碎片或网格进行赋值，通过多目标优化算法，搜索到满足设计需求的标签结构，其中对每个碎片或网格进行的赋值能够表示每个碎片或网格的金属存在状态。
同时电路印刷区和废料区之间引入特定的隔离结构，隔离电路间耦合的影响，尽可能降低印刷电路对标签的影响，即可使本结构适用于不同的电路结构。
该种用于pcb生产过程跟踪与控制的无源rfid标签能够达到的有益效果为：本装置利用pcb板废料区开展标签设计，节约成本，且无需特殊的制作工艺。同时，该种天线结构利用多目标优化算法对较小的碎片或网格结构进行优化设计，使天线的结构能够有最大的传输系数，同时具有最大的增益。同时该种天线结构不仅适用于单层pcb板同样也适用于多层pcb板。电路印刷区和标签区间引入特殊的隔离结构，使标签对于未印刷电路的pcb板、印刷了不同电路结构的pcb具有通用性，在电路印刷区内印刷电路结构之后，能够降低电路结构和天线结构的耦合。
附图说明
图1为本发明一种用于pcb生产过程跟踪与控制的无源rfid标签中pcb板的结构原理图。
图2为本发明一种用于pcb生产过程跟踪与控制的无源rfid标签中标签结构离散方法示意图。
图3a为本发明一种用于pcb生产过程跟踪与控制的无源rfid标签中标签结构俯视图。
图3b为本发明一种用于pcb生产过程跟踪与控制的无源rfid标签中标签结构侧视图。
图4为本发明一种用于pcb生产过程跟踪与控制的无源rfid标签中标签能量传输系数示意图。
图5a为本发明一种用于pcb生产过程跟踪与控制的无源rfid标签中标签应用于单层pcb板时的三维辐射方向图。
图5b为本发明一种用于pcb生产过程跟踪与控制的无源rfid标签中标签应用于多层pcb板时的三维辐射方向图。
图6a为本发明一种用于pcb生产过程跟踪与控制的无源rfid标签中隔离结构的结构原理图。
图6b为本发明一种用于pcb生产过程跟踪与控制的无源rfid标签中引入隔离结构后pcb板电流分布示意图。
图7a为本发明一种用于pcb生产过程跟踪与控制的无源rfid标签中引入隔离结构和电路后标签能量传输系数示意图。
图7b为本发明一种用于pcb生产过程跟踪与控制的无源rfid标签中引入隔离结构和电路后三维辐射方向图。
图例说明：1、电路印刷区；2、废料区；3、标签区；4、接地结构；5、rfid芯片；6、标签天线；7、实体金属段；8、空白段；9、介质层；10、隔离结构。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，一块pcb板通常被分为两大区域：电路印刷区域1和废料区2。废料区2不印刷任何电路结构，在生产过程中仅供装配使用，而装配所占区域极小，一般在角落打孔、装配，即废料区有大部分区域可供利用。因此，可在废料区2内设置标签区3。
本实施例中，选取的电路板长为l＝92mm、宽为w＝46mm，仅选取最下方的小片区域作为标签设计区域3，其尺寸为6mm×46mm，仅占整个pcb约6％面积。
如图2所示，标签区3设置成长方形结构，包括接地结构4、rfid芯片5和标签天线6，所述的rfid芯片5焊接在pcb板上，rfid芯片5一侧与接地结构4连接，另一侧与标签天线6连接，所述的标签天线6印刷在pcb板上，所述的标签天线采用离散化设计。
本实施例中，标签天线6选取倒f结构作为标签的基本结构，标签天线6的辐射区域用小尺寸的线段进行离散化，图2中，实线段表示实体金属段，虚线段表示空白段，即金属线不存在，由此辐射区域可以用一个“0”、“1”矩阵表示。其中0代表虚线段，1代表实线段。
本实施例中，选取moea/d-go算法，并利用三维电磁仿真软件hfss和visualc开展优化设计。
设计目标函数为：
其中wi代表权重，
本实施例中，利用脚本文件建立标签的hfss初始模型，把需要设计的标签天线区域划分成小尺寸的线段组成的网格，线段的材料在脚本文件中可进行修改，优化程序中根据优化目标和每一组线段参数下算出的结果不断对线段的材料，进行优化直到某一数组下hfss算出的结果满足优化目标，输出这一组结果和模型参数。
如图3所示，通过优化设计得到标签天线6结构如图3中的图a和图b所示，接地结构4区域尺寸为w1×l1＝9.5mm×6mm，标签天线6的辐射区域尺寸为w2×l2＝30mm×4.7mm，pcb介质层9厚度为d＝2mm。对于优化得到的标签天线6进行仿真，对优化结果进行验证。
如图4所示，仿真结果显示标签应用于单层和多层pcb板时均获得良好的性能。标签应用于单层pcb时，在拟定的工作频率915mhz获得的能量传输系数最高；标签应用多层pcb时，传输系数曲线出现了微小的偏移，但在915mhz获得的传输系数仍大于0.9。
如图5所示，为应用于单层和多层pcb时获得的三维辐射方向图，在单层和多层pcb板上运用标签时三维辐射方向图的模式变化很小，但运用在多层pcb板时获得的增益明显提高。
上述图4、图5中的仿真图均为在未印刷电路结构时获得，如图6中的a图所示，本实施例中在电路印刷区1和废料区2的交界处设置有一个一定宽度的隔槽实现隔离，开槽宽度为1mm，槽距离标签、pcb边缘距离分别为4.5mm和3.5mm。
仿真之后可得到证实，如图6中的b图所示，标签芯片输出电流在pcb板上分布示意图，电流被限定在废料区2内。图7中的a图和b图所示为pcb开槽且电路印刷区域引入电路结构后标签的传输系数和三维辐射方向图。与未引入电路结构时相比，标签传输系数几乎没有变化，辐射方向图有一定变化，标签方向性存在微小恶化，但增益几乎不变。
进一步的，本申请中标签天线6直接在pcb上进行设计，在印刷电路时，只留下天线结构部分的金属，通过蚀刻形成标签天线6，rfid芯片5则通过焊接固定在pcb板上。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
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