纸基 RFID 包装箱标签天线设计

　　近年来,射频识别(Radio frequency of identification, RFID)技术,特别是在物流供应链上的产品包装箱标识和自动跟踪管理技术的研究及应用迅速发展。典型的 RFID 系统由 RFID 读写器和 RFID 标签组成, RFID 标签依靠读写器发射的电磁信号供电,并通过反射调制电磁信号与读写器通信。RFID 标签由RFID 标签芯片和标签天线组成。RFID 标签天线与标签芯片之间的阻抗匹配程度,决定了RFID 标签 的供电效率和读写距离。是影响 RFID 标签性能指标的主要因素。包装箱内的物品与 RFID 标签天线非常靠近,而其体积相对标签天线来说近似无穷大,对标签天线的阻抗有相当大的影响。因此, RFID 标签天线的设计必须将周围环境的影响,特别是物品介质的影响考虑进去。

　　目前探讨周围介质对天线影响的研究主要应用于雷达天线罩设计,涉及到军事技术,故国内外公开的文献较少。本文着重探讨 RFID 标签周围环境对标签天线阻抗特性的影响,提出了一种对包装箱内物品不敏感的通用 RFID 标签天线设计方法,无需为特定产品订制专用的 RFID 标签。

1　包装箱环境对 RFID 标签天线的影响

　　如图1所示,为避免在搬运过程中磨损,一般 RFID 标签固定贴附在包装箱的内壁。

图1　贴附 RFID 标签的包装箱示意图

　　本文研究的 RFID 标签天线为在纸质基板表面电镀铝箔印刷形成的天线图形。天线为标准白卡纸(介电常数ε_r = 2. 5 ) , 纸质基板厚度为1mm。标签天线采用弯折线加载偶极子天线结构,如图2所示。

图2　RFID 标签天线尺寸图

　　如图3所示,包装箱内的物品等效于一个均匀的介质层, RFID 标签天线的铝箔层夹在纸基包装箱壁和标签天线基板之间,而基板下面是无穷大的均匀介质“物品” 层(以下简称物品) 。

图3　“RFID 包装箱”剖面图

　　物品的介电常数和厚度是影响 RFID 标签天线的主要因素。以下假设包装箱壁的厚度为1mm,介电常数ε_r = 3. 3,以物品厚度d和介电常数ε^′_r为参数,用IE3D软件仿真在915 MHz频段上物品介电常数对标签天线电阻和电抗的影响,如图4和图5所示。

图4　ε^′_r对天线电阻R天线的影响

图5　ε′r对天线电抗X天线的影响

　　图中物品的介电常数取常见介电常数值1～8,以及81. 5 (81. 5是水在标准状态温度25 ℃,大气压力0. 101MPa下的介电常数值) 。由图4和图5可见, d对RFID标签天线的电阻和电抗影响较小,特别是当d > 50 mm的时候(一般的d均大于50 mm) ,包装箱的容积对RF I标签天线阻抗匹配几乎没有什么影响。影响标签天线阻抗的环境因素主要是空气层厚度h和ε^′_r。

　　而ε^′_r对标签天线阻抗的影响非常大,在某些介电常数值上,天线的电阻可以达到3 kΩ,电抗达到1. 5 kΩ。而 RFID 标签天线阻抗受包装箱内物品介电常数的影响,阻抗值波动十分剧烈。因此,为了与常见的 RFID 标签芯片相匹配,需要针对特定产品订制包装箱的 RFID 标签天线。但现代社会中商品不下数十万种,为每种产品订制不同的 RFID 标签天线的工作量太浩繁,严重阻碍RFID 技术在物流领域的推广应用。因此,研制对物品介电常数不敏感的通用 RFID 标签天线,是 RFID 技术推广应用的关键突破点。

2　“RFID包装箱”设计

　　为使 RFID 标签天线对包装箱内的物品介电常数不敏感,本文设计了一种悬置微带多层介质结构的RFID标签天线:在原有的RFID标签天线基板下添加空气层(发泡塑料填充)和金属层(铝箔或导电油墨覆盖) ,形成3层结构的 RFID 标签天线基板,简称为RFID标签(Ⅰ)结构,如图6所示。

图6　RFID 标签( Ⅰ)结构侧面图

　　以下假设包装箱壁厚度为1 mm,ε_r = 3. 3,d = 200 mm,以h和ε^′_r为参数,用IE3D工具仿真得到在915 MHz频段上物品的介电常数对新RFID 标签天线( Ⅰ)电阻和电抗的影响,如图7和图8所示。其中物品的介电常数值增加了肉类(脂肪)在标准状态(25 ℃, 0. 101 MPa)下的介电常数值58。

　　从图7和图8中可以看出,采用新标签( Ⅰ)时,当h≥2 mm时,新标签天线( Ⅰ)的电阻和电抗曲线较平缓,对物品介电常数不敏感。波动范围在50～100Ω之间。但由于RFID标签IC的电阻较小(20Ω左右) ,而标签天线电阻的波动范围(50～100Ω)仍然太大,与RFID 标签芯片匹配存在困难。

图7　ε′r对标签天线( Ⅰ)电阻R天线Ⅰ的影响

图8　ε′r对标签天线( Ⅰ)电抗X天线Ⅰ的影响

　　为了进一步改善RFID标签天线对物品介电常数的适应性,本文提出了把空气层和金属层面积扩大一倍,即采用2倍于标签天线轮廓面积的空气层和金属层面积的标签结构,简称为RF ID标签( Ⅱ)结构,如图9所示。

图9　新RFID标签( Ⅱ)侧面图

　　同样的,假设包装箱壁厚度为1 mm,ε_r = 3. 3,d = 200 mm,以h和介电常数ε′_r为参数,用IE3D工具仿真在915MHz频段上物品介电常数对新RFID标签天线(Ⅱ)电阻和电抗的影响,如图10和图11所示。

图10　ε′r对标签天线( Ⅱ)电阻R天线Ⅱ的影响

图11　ε′r对标签天线( Ⅱ)电抗X天线Ⅱ的影响

从图10和图11中可以看出,空气层和金属层面积扩大一倍后,天线的电阻变化曲线明显得到改善,当h≥2 mm时,新标签( Ⅱ)天线阻抗的电阻和电抗变化曲线平缓,波动范围不超过5%。由此可见,标签天线( Ⅱ)的阻抗只与天线的结构和空气层厚度有关,包装箱内的物品种类对其影响不大。采用RFID 标签( Ⅱ)结构,可以实现与包装箱内物品种类无关的通用“RFID 包装箱”。

3　实物测试与结果

　　根据上述仿真结果,采用标准白卡纸(ε_r =215) ,电镀铝箔成型制作了h = 2 mm的RFID 标签( Ⅰ)和( Ⅱ)两种标签天线结构,如图12所示。

图12　RFID 标签天线实物

　　选择箱壁厚度为1 mm,ε_r = 2. 2, d = 175 mm的包装箱作为测试环境,待测标签天线内附在包装箱壁,在包装箱内均匀填充空气(介电常数为1) ,复印纸(介电常数为2. 5) , PET塑料(介电常数为4. 2)和食盐(介电常数为6. 2) ,使用矢量网络分析仪Agilent 8753ET测试在上述介电常数的物质填充情况下,在915MHz频段上图12中的RFID标签天线的阻抗测量值,如表1和表2所示。

　　由表1和表2可以看出,在不同介电常数的物品影响下, RFID 标签天线(Ⅰ)和标签天线(Ⅱ)的阻抗测量值均保持不变。其中, RFID 标签(Ⅱ)天线电阻和电抗始终保持在20Ω和800Ω左右, 基本接近常用的 RFID 标签芯片阻抗目标,具有很高的应用价值。

4　结束语

　　本文通过仿真手段模拟包装箱内的介质环境,研究了介质环境对附着在包装箱内壁的 RFID 标签天线的影响。仿真结果表明纸基包装箱壁和包装箱内的物品是影响 RFID 标签天线的两大主要因素,需要根据特定的包装箱和所包装的物品订制 RFID 标签天线。包装箱内物品的容积和等效介电常数对 RFID 标签天线的阻抗有非常大的影响。为了减少 RFID 标签天线的设计工作量,本文设计并改进了一种悬置微带多层介质结构的 RFID 标签天线,通过增加空气层和金属层隔离了包装箱内物品对 RFID 标签天线的影响,并最终通过实际制作和测试,证实了上述 RFID 标签结构的可行性,使得“通用型” RFID 包装箱成为可能,具有广泛的应用前景。

     (文/华南理工大学 1. 制浆造纸工程国家重点实验室 赖晓铮,刘焕彬; 2. 电子与信息学院 苏艳,赖声礼)