紙基RFID包裝箱標簽天線設計

近年來，射頻識別（Radio frequency of identification， RFID）技術，特別是在物流供應鏈上的產品包裝箱標識和自動跟蹤管理技術的研究及應用迅速發展。典型的RFID系統由RFID讀寫器和RFID標簽組成， RFID標簽依靠讀寫器發射的電磁信號供電，并通過反射調制電磁信號與讀寫器通信。RFID標簽由RFID標簽芯片和標簽天線組成。RFID標簽天線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標簽天線非常靠近，而其體積相對標簽天線來說近似無窮大，對標簽天線的阻抗有相當大的影響。因此， RFID標簽天線的設計必須將周圍環境的影響，特別是物品介質的影響考慮進去。

目前探討周圍介質對天線影響的研究主要應用于雷達天線罩設計，涉及到軍事技術，故國內外公開的文獻較少。本文著重探討RFID標簽周圍環境對標簽天線阻抗特性的影響，提出了一種對包裝箱內物品不敏感的通用RFID標簽天線設計方法，無需為特定產品訂制專用的RFID標簽。

1包裝箱環境對RFID標簽天線的影響

如圖1所示，為避免在搬運過程中磨損，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標簽天線為在紙質基板表面電鍍鋁箔印刷形成的天線圖形。天線為標準白卡紙（介電常數εr = 2. 5 ） ，紙質基板厚度為1mm.標簽天線采用彎折線加載偶極子天線結構，如圖2所示。

圖2 RFID標簽天線尺寸圖

如圖3所示，包裝箱內的物品等效于一個均勻的介質層， RFID標簽天線的鋁箔層夾在紙基包裝箱壁和標簽天線基板之間，而基板下面是無窮大的均勻介質“物品”層（以下簡稱物品）。

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電阻和電抗的影響，如圖4和圖5所示。

圖4ε′r對天線電阻R天線的影響

圖5ε′r對天線電抗X天線的影響

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

而ε′r對標簽天線阻抗的影響非常大，在某些介電常數值上，天線的電阻可以達到3 kΩ，電抗達到1. 5 kΩ。而RFID標簽天線阻抗受包裝箱內物品介電常數的影響，阻抗值波動十分劇烈。因此，為了與常見的RFID標簽芯片相匹配，需要針對特定產品訂制包裝箱的RFID標簽天線。但現代社會中商品不下數十萬種，為每種產品訂制不同的RFID標簽天線的工作量太浩繁，嚴重阻礙RFID技術在物流領域的推廣應用。因此，研制對物品介電常數不敏感的通用RFID標簽天線，是RFID技術推廣應用的關鍵突破點。

2“RFID包裝箱”設計

為使RFID標簽天線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結構的RFID標簽天線：在原有的RFID標簽天線基板下添加空氣層（發泡塑料填充）和金屬層（鋁箔或導電油墨覆蓋） ，形成3層結構的RFID標簽天線基板，簡稱為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（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（脂肪）在標準狀態（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，當h≥2 mm時，新標簽天線（Ⅰ）的電阻和電抗曲線較平緩，對物品介電常數不敏感。波動范圍在50～100Ω之間。但由于RFID標簽IC的電阻較小（20Ω左右） ，而標簽天線電阻的波動范圍（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（Ⅰ）電阻R天線Ⅰ的影響

圖8ε′r對標簽天線（Ⅰ）電抗X天線Ⅰ的影響

為了進一步改善RFID標簽天線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倍于標簽天線輪廓面積的空氣層和金屬層面積的標簽結構，簡稱為RF ID標簽（Ⅱ）結構，如圖9所示。

圖9新RFID標簽（Ⅱ）側面圖