紙基RFID包裝箱標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)

近年來(lái)，射頻識(shí)別（Radio frequency of identification， RFID）技術(shù)，特別是在物流供應(yīng)鏈上的產(chǎn)品包裝箱標(biāo)識(shí)和自動(dòng)跟蹤管理技術(shù)的研究及應(yīng)用迅速發(fā)展。典型的RFID系統(tǒng)由RFID讀寫器和RFID標(biāo)簽組成， RFID標(biāo)簽依靠讀寫器發(fā)射的電磁信號(hào)供電，并通過(guò)反射調(diào)制電磁信號(hào)與讀寫器通信。RFID標(biāo)簽由RFID標(biāo)簽芯片和標(biāo)簽天線組成。RFID標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片之間的阻抗匹配程度，決定了RFID標(biāo)簽的供電效率和讀寫距離。是影響RFID標(biāo)簽性能指標(biāo)的主要因素。包裝箱內(nèi)的物品與RFID標(biāo)簽天線非常靠近，而其體積相對(duì)標(biāo)簽天線來(lái)說(shuō)近似無(wú)窮大，對(duì)標(biāo)簽天線的阻抗有相當(dāng)大的影響。因此， RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)必須將周圍環(huán)境的影響，特別是物品介質(zhì)的影響考慮進(jìn)去。

目前探討周圍介質(zhì)對(duì)天線影響的研究主要應(yīng)用于雷達(dá)天線罩設(shè)計(jì)，涉及到軍事技術(shù)，故國(guó)內(nèi)外公開的文獻(xiàn)較少。本文著重探討RFID標(biāo)簽周圍環(huán)境對(duì)標(biāo)簽天線阻抗特性的影響，提出了一種對(duì)包裝箱內(nèi)物品不敏感的通用RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)方法，無(wú)需為特定產(chǎn)品訂制專用的RFID標(biāo)簽。

1包裝箱環(huán)境對(duì)RFID標(biāo)簽天線的影響

如圖1所示，為避免在搬運(yùn)過(guò)程中磨損，一般RFID標(biāo)簽固定貼附在包裝箱的內(nèi)壁。

圖1貼附RFID標(biāo)簽的包裝箱示意圖

本文研究的RFID標(biāo)簽天線為在紙質(zhì)基板表面電鍍鋁箔印刷形成的天線圖形。天線為標(biāo)準(zhǔn)白卡紙（介電常數(shù)εr = 2. 5 ） ，紙質(zhì)基板厚度為1mm.標(biāo)簽天線采用彎折線加載偶極子天線結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 RFID標(biāo)簽天線尺寸圖

如圖3所示，包裝箱內(nèi)的物品等效于一個(gè)均勻的介質(zhì)層， RFID標(biāo)簽天線的鋁箔層夾在紙基包裝箱壁和標(biāo)簽天線基板之間，而基板下面是無(wú)窮大的均勻介質(zhì)“物品”層（以下簡(jiǎn)稱物品）。

圖3“RFID包裝箱”剖面圖

物品的介電常數(shù)和厚度是影響RFID標(biāo)簽天線的主要因素。以下假設(shè)包裝箱壁的厚度為1mm，介電常數(shù)εr = 3. 3，以物品厚度d和介電常數(shù)ε′r為參數(shù)，用IE3D軟件仿真在915 MHz頻段上物品介電常數(shù)對(duì)標(biāo)簽天線電阻和電抗的影響，如圖4和圖5所示。

圖4ε′r對(duì)天線電阻R天線的影響

圖5ε′r對(duì)天線電抗X天線的影響

圖中物品的介電常數(shù)取常見介電常數(shù)值1～8，以及81. 5 （81. 5是水在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度25℃，大氣壓力0. 101MPa下的介電常數(shù)值）。由圖4和圖5可見， d對(duì)RFID標(biāo)簽天線的電阻和電抗影響較小，特別是當(dāng)d > 50 mm的時(shí)候（一般的d均大于50 mm） ，包裝箱的容積對(duì)RF I標(biāo)簽天線阻抗匹配幾乎沒有什么影響。影響標(biāo)簽天線阻抗的環(huán)境因素主要是空氣層厚度h和ε′r.

而ε′r對(duì)標(biāo)簽天線阻抗的影響非常大，在某些介電常數(shù)值上，天線的電阻可以達(dá)到3 kΩ，電抗達(dá)到1. 5 kΩ。而RFID標(biāo)簽天線阻抗受包裝箱內(nèi)物品介電常數(shù)的影響，阻抗值波動(dòng)十分劇烈。因此，為了與常見的RFID標(biāo)簽芯片相匹配，需要針對(duì)特定產(chǎn)品訂制包裝箱的RFID標(biāo)簽天線。但現(xiàn)代社會(huì)中商品不下數(shù)十萬(wàn)種，為每種產(chǎn)品訂制不同的RFID標(biāo)簽天線的工作量太浩繁，嚴(yán)重阻礙RFID技術(shù)在物流領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。因此，研制對(duì)物品介電常數(shù)不敏感的通用RFID標(biāo)簽天線，是RFID技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵突破點(diǎn)。

2“RFID包裝箱”設(shè)計(jì)

為使RFID標(biāo)簽天線對(duì)包裝箱內(nèi)的物品介電常數(shù)不敏感，本文設(shè)計(jì)了一種懸置微帶多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的RFID標(biāo)簽天線：在原有的RFID標(biāo)簽天線基板下添加空氣層（發(fā)泡塑料填充）和金屬層（鋁箔或?qū)щ娪湍采w） ，形成3層結(jié)構(gòu)的RFID標(biāo)簽天線基板，簡(jiǎn)稱為RFID標(biāo)簽（Ⅰ）結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 RFID標(biāo)簽（Ⅰ）結(jié)構(gòu)側(cè)面圖

以下假設(shè)包裝箱壁厚度為1 mm，εr = 3. 3，d = 200 mm，以h和ε′r為參數(shù)，用IE3D工具仿真得到在915 MHz頻段上物品的介電常數(shù)對(duì)新RFID標(biāo)簽天線（Ⅰ）電阻和電抗的影響，如圖7和圖8所示。其中物品的介電常數(shù)值增加了肉類（脂肪）在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（25℃， 0. 101 MPa）下的介電常數(shù)值58.

從圖7和圖8中可以看出，采用新標(biāo)簽（Ⅰ）時(shí)，當(dāng)h≥2 mm時(shí)，新標(biāo)簽天線（Ⅰ）的電阻和電抗曲線較平緩，對(duì)物品介電常數(shù)不敏感。波動(dòng)范圍在50～100Ω之間。但由于RFID標(biāo)簽IC的電阻較?。?0Ω左右） ，而標(biāo)簽天線電阻的波動(dòng)范圍（50～100Ω）仍然太大，與RFID標(biāo)簽芯片匹配存在困難。

圖7ε′r對(duì)標(biāo)簽天線（Ⅰ）電阻R天線Ⅰ的影響

圖8ε′r對(duì)標(biāo)簽天線（Ⅰ）電抗X天線Ⅰ的影響

為了進(jìn)一步改善RFID標(biāo)簽天線對(duì)物品介電常數(shù)的適應(yīng)性，本文提出了把空氣層和金屬層面積擴(kuò)大一倍，即采用2倍于標(biāo)簽天線輪廓面積的空氣層和金屬層面積的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱為RF ID標(biāo)簽（Ⅱ）結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9新RFID標(biāo)簽（Ⅱ）側(cè)面圖