创羿科技纸基RFID包装箱标签天线设计

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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) 。

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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。

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图4　ε′r对天线电阻R天线的影响

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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。

  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。