紙基RFID包裝箱標簽天線(xiàn)設計

近年來(lái)，射頻識別（Radio frequency of identification， RFID）技術(shù)，特別是在物流供應鏈上的產(chǎn)品包裝箱標識和自動(dòng)跟蹤管理技術(shù)的研究及應用迅速發(fā)展。典型的RFID系統由RFID讀寫(xiě)器和RFID標簽組成， RFID標簽依靠讀寫(xiě)器發(fā)射的電磁信號供電，并通過(guò)反射調制電磁信號與讀寫(xiě)器通信。RFID標簽由RFID標簽芯片和標簽天線(xiàn)組成。RFID標簽天線(xiàn)與標簽芯片之間的阻抗匹配程度，決定了RFID標簽的供電效率和讀寫(xiě)距離。是影響RFID標簽性能指標的主要因素。包裝箱內的物品與RFID標簽天線(xiàn)非?？拷?，而其體積相對標簽天線(xiàn)來(lái)說(shuō)近似無(wú)窮大，對標簽天線(xiàn)的阻抗有相當大的影響。因此， RFID標簽天線(xiàn)的設計必須將周?chē)h(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?chē)橘|(zhì)對天線(xiàn)影響的研究主要應用于雷達天線(xiàn)罩設計，涉及到軍事技術(shù)，故國內外公開(kāi)的文獻較少。本文著(zhù)重探討RFID標簽周?chē)h(huán)境對標簽天線(xiàn)阻抗特性的影響，提出了一種對包裝箱內物品不敏感的通用RFID標簽天線(xiàn)設計方法，無(wú)需為特定產(chǎn)品訂制專(zhuān)用的RFID標簽。

1包裝箱環(huán)境對RFID標簽天線(xiàn)的影響

如圖1所示，為避免在搬運過(guò)程中磨損，一般RFID標簽固定貼附在包裝箱的內壁。

圖1貼附RFID標簽的包裝箱示意圖

本文研究的RFID標簽天線(xiàn)為在紙質(zhì)基板表面電鍍鋁箔印刷形成的天線(xiàn)圖形。天線(xiàn)為標準白卡紙（介電常數εr = 2. 5 ） ，紙質(zhì)基板厚度為1mm.標簽天線(xiàn)采用彎折線(xiàn)加載偶極子天線(xiàn)結構，如圖2所示。

圖2 RFID標簽天線(xiàn)尺寸圖

如圖3所示，包裝箱內的物品等效于一個(gè)均勻的介質(zhì)層， RFID標簽天線(xiàn)的鋁箔層夾在紙基包裝箱壁和標簽天線(xiàn)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(chēng)物品）。

圖3“RFID包裝箱”剖面圖

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

圖4ε′r對天線(xiàn)電阻R天線(xiàn)的影響

圖5ε′r對天線(xiàn)電抗X天線(xiàn)的影響

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

而ε′r對標簽天線(xiàn)阻抗的影響非常大，在某些介電常數值上，天線(xiàn)的電阻可以達到3 kΩ，電抗達到1. 5 kΩ。而RFID標簽天線(xiàn)阻抗受包裝箱內物品介電常數的影響，阻抗值波動(dòng)十分劇烈。因此，為了與常見(jiàn)的RFID標簽芯片相匹配，需要針對特定產(chǎn)品訂制包裝箱的RFID標簽天線(xiàn)。但現代社會(huì )中商品不下數十萬(wàn)種，為每種產(chǎn)品訂制不同的RFID標簽天線(xiàn)的工作量太浩繁，嚴重阻礙RFID技術(shù)在物流領(lǐng)域的推廣應用。因此，研制對物品介電常數不敏感的通用RFID標簽天線(xiàn)，是RFID技術(shù)推廣應用的關(guān)鍵突破點(diǎn)。

2“RFID包裝箱”設計

為使RFID標簽天線(xiàn)對包裝箱內的物品介電常數不敏感，本文設計了一種懸置微帶多層介質(zhì)結構的RFID標簽天線(xiàn)：在原有的RFID標簽天線(xiàn)基板下添加空氣層（發(fā)泡塑料填充）和金屬層（鋁箔或導電油墨覆蓋） ，形成3層結構的RFID標簽天線(xiàn)基板，簡(jiǎn)稱(chēng)為RFID標簽（Ⅰ）結構，如圖6所示。

圖6 RFID標簽（Ⅰ）結構側面圖

以下假設包裝箱壁厚度為1 mm，εr = 3. 3，d = 200 mm，以h和ε′r為參數，用IE3D工具仿真得到在915 MHz頻段上物品的介電常數對新RFID標簽天線(xiàn)（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值增加了肉類(lèi)（脂肪）在標準狀態(tài)（25℃， 0. 101 MPa）下的介電常數值58.

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

圖7ε′r對標簽天線(xiàn)（Ⅰ）電阻R天線(xiàn)Ⅰ的影響

圖8ε′r對標簽天線(xiàn)（Ⅰ）電抗X天線(xiàn)Ⅰ的影響

為了進(jìn)一步改善RFID標簽天線(xiàn)對物品介電常數的適應性，本文提出了把空氣層和金屬層面積擴大一倍，即采用2倍于標簽天線(xiàn)輪廓面積的空氣層和金屬層面積的標簽結構，簡(jiǎn)稱(chēng)為RF ID標簽（Ⅱ）結構，如圖9所示。

圖9新RFID標簽（Ⅱ）側面圖