研究人员通过3D打印开发出更可靠的增强型UHF-RFID标签

巴塞罗那大学和加泰罗尼亚理工大学的科学家已经设计并3D打印了一种更可靠的增强型UHF-RFID标签。

该团队的库存跟踪设备采用双锥天线设计，内置金属条以提高其整体带宽，并采用了电介质涂层来防止其信号受到干扰。摘要测试表明，该标签可以无缝集成到现有网络中，从而有可能在医疗、建筑、汽车等行业用作库存管理工具。

图为研究人员的新型RFID芯片设计。图源巴塞罗那大学。

新型附加天线应用

增材制造（3D打印）在开发更紧凑的天线系统方面的潜力已经在广泛的终端应用中得到证明。例如，科学家目前正在尝试为英国的5G网络3D打印低成本天线，而航空航天公司SENER Aeroespacial正在为PROBA-3太空任务打印一种金属传感器。

同样，美国特拉华大学（UDEL）的研究人员正在使用XJet Carmel 1400 3D打印机开发他们自己的5G天线和其他微波相关设备。现在，巴塞罗那的团队已经确定RFID技术是3D打印制造技术所带来的成本节约和复杂几何结构的另一个可能受益者。

RFID芯片广泛用于工业领域，作为跟踪库存、管理人员出入和各种物流应用的一种手段，但它们仍然有局限性。有时，当设备在电磁环境变化的地方工作时，芯片的激活范围会受到限制。

尤其是在医院，由于电磁设备在医疗领域中非常普遍，经常会导致RFID标签发生故障，从而会影响跟踪芯片的辐射效率。此外在汽车和建筑领域，RFID设备无法在完全沉浸状态下工作，这也阻碍了它们在制造流程的某些领域中的使用。

巴塞罗那团队的升级版RFID设备

为了克服现有RFID标签的局限性，研究人员设计了一种新颖的天线结构，当设备浸入另一种介质中时可以防止信号电抗。该团队的芯片设计包括两个主要的对称辐射器、一个匹配网络和一个电介质涂层，该涂层经过优化可在特定频率下工作。

天线的主体采用双锥形结构，中间有一块金属板，该金属板已预先编程，介电常数为2.8，损耗角正切为0.02。两个方形金属条也缠绕在金属板的两侧，并通过一个孔连接，这最终使天线的宽带与RFID芯片的宽带相匹配。

在设备设计中利用了先进的电磁模拟软件，研究人员可以对其进行优化，以便用于RFID通用频率。一旦团队的最终成品准备就绪，他们就通过3D打印将圆柱形聚合物主体分成两半来制造介电涂层，然后再将两半连接起来以将天线封装在内部。

天线也涂有导电银墨水，这被用作镀铜工艺的种子源。一旦完成，这个设备的圆锥形结构就会被一层薄薄的合金覆盖，这样就能够成功接收和传输信号。

带有RFID芯片的“圆锥体”被镀上了一层薄薄的铜。图源巴塞罗那大学。

随后的测试表明，科学家的模拟实验与原型性能之间存在一些不一致，特别是在带宽方面。考虑到该设备几何结构的复杂性，其最终设计的精度在某些方面存在差异，这对芯片的电磁性能产生了连锁效应。

尽管如此，该团队设计的RFID芯片的最终原型在使用商用“Alien ALR-9900 +”阅读器进行评估时，它的性能也表现良好。一旦设备悬空时，就可以从4.5米远的距离读取该设备；当芯片完全浸入水中时，它可以保持40％的检测范围，这与模拟结果是一致的。

因此，研究团队认为他们的设计是成功的，而成品设备则具有独特性，因为它针对嵌入式应用进行了优化。测试表明，RFID标签能够有效地将外部条件的影响降到最低，这将使它能够在电磁环境特别不稳定的新兴行业中使用。

研究人员的这一发现在其名为“嵌入式应用的3D打印UHF-RFID标签（3D-Printed UHF-RFID Tag for Embedded Applications）”的论文中得到了详细说明。该论文由Neus Vidal、Josep Maria Lopez-Villegas、Jordi Romeu、Arnau Salas Barenys、Aleix Garcia-Miquel、Giselle Gonzalez-Lopez和Luis Jofre合著。
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