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?？拷?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(kāi)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)ε_r = 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)ε_r = 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4　ε^′_r對(duì)天線電阻R天線的影響

圖5　ε′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(jiàn)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(jiàn), 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(méi)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(jiàn)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,ε_r = 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的電阻較小(20Ω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7　ε′r對(duì)標(biāo)簽天線( Ⅰ)電阻R天線Ⅰ的影響

圖8　ε′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

　　同樣的,假設(shè)包裝箱壁厚度為1 mm,ε_r = 3. 3,d = 200 mm,以h和介電常數(shù)ε′_r為參數(shù),用IE3D工具仿真在915MHz頻段上物品介電常數(shù)對(duì)新RFID標(biāo)簽天線(Ⅱ)電阻和電抗的影響,如圖10和圖11所示。

圖10　ε′r對(duì)標(biāo)簽天線( Ⅱ)電阻R天線Ⅱ的影響

圖11　ε′r對(duì)標(biāo)簽天線( Ⅱ)電抗X天線Ⅱ的影響

從圖10和圖11中可以看出,空氣層和金屬層面積擴(kuò)大一倍后,天線的電阻變化曲線明顯得到改善,當(dāng)h≥2 mm時(shí),新標(biāo)簽( Ⅱ)天線阻抗的電阻和電抗變化曲線平緩,波動(dòng)范圍不超過(guò)5%。由此可見(jiàn),標(biāo)簽天線( Ⅱ)的阻抗只與天線的結(jié)構(gòu)和空氣層厚度有關(guān),包裝箱內(nèi)的物品種類對(duì)其影響不大。采用RFID 標(biāo)簽( Ⅱ)結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)與包裝箱內(nèi)物品種類無(wú)關(guān)的通用“RFID 包裝箱”。

3　實(shí)物測(cè)試與結(jié)果

　　根據(jù)上述仿真結(jié)果,采用標(biāo)準(zhǔn)白卡紙(ε_r =215) ,電鍍鋁箔成型制作了h = 2 mm的RFID 標(biāo)簽( Ⅰ)和( Ⅱ)兩種標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu),如圖12所示。

圖12　RFID 標(biāo)簽天線實(shí)物

　　選擇箱壁厚度為1 mm,ε_r = 2. 2, d = 175 mm的包裝箱作為測(cè)試環(huán)境,待測(cè)標(biāo)簽天線內(nèi)附在包裝箱壁,在包裝箱內(nèi)均勻填充空氣(介電常數(shù)為1) ,復(fù)印紙(介電常數(shù)為2. 5) , PET塑料(介電常數(shù)為4. 2)和食鹽(介電常數(shù)為6. 2) ,使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent 8753ET測(cè)試在上述介電常數(shù)的物質(zhì)填充情況下,在915MHz頻段上圖12中的RFID標(biāo)簽天線的阻抗測(cè)量值,如表1和表2所示。

　　由表1和表2可以看出,在不同介電常數(shù)的物品影響下, RFID 標(biāo)簽天線(Ⅰ)和標(biāo)簽天線(Ⅱ)的阻抗測(cè)量值均保持不變。其中, RFID 標(biāo)簽(Ⅱ)天線電阻和電抗始終保持在20Ω和800Ω左右, 基本接近常用的 RFID 標(biāo)簽芯片阻抗目標(biāo),具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

4　結(jié)束語(yǔ)

　　本文通過(guò)仿真手段模擬包裝箱內(nèi)的介質(zhì)環(huán)境,研究了介質(zhì)環(huán)境對(duì)附著在包裝箱內(nèi)壁的 RFID 標(biāo)簽天線的影響。仿真結(jié)果表明紙基包裝箱壁和包裝箱內(nèi)的物品是影響 RFID 標(biāo)簽天線的兩大主要因素,需要根據(jù)特定的包裝箱和所包裝的物品訂制 RFID 標(biāo)簽天線。包裝箱內(nèi)物品的容積和等效介電常數(shù)對(duì) RFID 標(biāo)簽天線的阻抗有非常大的影響。為了減少 RFID 標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)工作量,本文設(shè)計(jì)并改進(jìn)了一種懸置微帶多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的 RFID 標(biāo)簽天線,通過(guò)增加空氣層和金屬層隔離了包裝箱內(nèi)物品對(duì) RFID 標(biāo)簽天線的影響,并最終通過(guò)實(shí)際制作和測(cè)試,證實(shí)了上述 RFID 標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的可行性,使得“通用型” RFID 包裝箱成為可能,具有廣泛的應(yīng)用前景。