纸基RFID包装箱标签天线设计.docx
纸基RFID包装箱标签天线设计近年来,射频识别(Radiofrequencyofidentification,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2RFID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r=3.3,以物品厚度d和介电常数r为参数,用IE3D软件仿真在915MHz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4r对天线电阻R天线的影响图5r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18,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>50mm的时候(一般的d均大于50mm),包装箱的容积对RFI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r。而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3k,电抗达到1.5k。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()结构,如图6所示。图6RFID标签()结构侧面图以下假设包装箱壁厚度为1mm,r=3.3,d=200mm,以h和r为参数,用IE3D工具仿真得到在915MHz频段上物品的介电常数对新RFID标签天线()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(25,0.101MPa)下的介电常数值58。从图7和图8中可以看出,采用新标签()时,当h2mm时,新标签天线()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50100之间。但由于RFID标签IC的电阻较小(20左右),而标签天线电阻的波动范围(50100)仍然太大,与RFID标签芯片匹配存在困难。图7r对标签天线()电阻R天线的影响图8r对标签天线()电抗X天线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RFID标签()结构,如图9所示。图9新RFID标签()侧面图同样的,假设包装箱壁厚度为1mm,r=3.3,d=200mm,以h和介电常数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()电阻和电抗的影响,如图10和图11所示。图10r对标签天线()电阻R天线的影响图11r对标签天线()电抗X天线的影响从图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h2mm时,新标签()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()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()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(r=215),电镀铝箔成型制作了h=2mm的RFID标签()和()两种标签天线结构,如图12所示。图12RFID标签天线实物选择箱壁厚度为1mm,r=2.2,d=175mm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Agilent8753ET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()和标签天线()的阻抗测量值均保持不变。其中,RFID标签()天线电阻和电抗始终保持在20和800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。
