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εr = 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εr = 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,εr = 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。