纸基RFID包装箱标签天线设计

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。

作者：杭州紫钺科技有限公司