介質環境對標籤天線的影響分析及紙基RFID標籤天線設計實現

2020-11-26 電子發燒友

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 標籤組成, RFID 標籤依靠讀寫器發射的電磁信號供電,並通過反射調製電磁信號與讀寫器通信。RFID標籤由RFID標籤晶片和標籤天線組成。RFID 標籤天線與標籤晶片之間的阻抗匹配程度,決定了RFID 標籤 的供電效率和讀寫距離。是影響 RFID 標籤性能指標的主要因素。包裝箱內的物品與 RFID 標籤天線非常靠近,而其體積相對標籤天線來說近似無窮大,對標籤天線的阻抗有相當大的影響。因此, RFID 標籤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於雷達天線罩設計,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 標籤周圍環境對標籤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 標籤天線設計方法,無需為特定產品訂製專用的 RFID 標籤。

1　包裝箱環境對 RFID 標籤天線的影響

如圖1所示,為避免在搬運過程中磨損,一般 RFID 標籤固定貼附在包裝箱的內壁。

本文研究的RFID標籤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。標籤天線採用彎折線加載偶極子天線結構,如圖2所示。

如圖3所示,包裝箱內的物品等效於一個均勻的介質層, RFID 標籤天線的鋁箔層夾在紙基包裝箱壁和標籤天線基板之間,而基板下面是無窮大的均勻介質「物品」 層(以下簡稱物品) 。

物品的介電常數和厚度是影響 RFID 標籤天線的主要因素。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軟體仿真在915 MHz頻段上物品介電常數對標籤天線電阻和電抗的影響,如圖4和圖5所示。

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標籤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均大於50 mm) ,包裝箱的容積對RF I標籤天線阻抗匹配幾乎沒有什麼影響。影響標籤天線阻抗的環境因素主要是空氣層厚度h和ε′r。

而ε′r對標籤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 標籤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 標籤晶片相匹配,需要針對特定產品訂製包裝箱的 RFID 標籤天線。但現代社會中商品不下數十萬種,為每種產品訂製不同的 RFID 標籤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,研製對物品介電常數不敏感的通用 RFID 標籤天線,是 RFID 技術推廣應用的關鍵突破點。

2　「RFID包裝箱」設計


       為使 RFID 標籤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標籤天線:在原有的RFID標籤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 標籤天線基板,簡稱為RFID標籤(Ⅰ)結構,如圖6所示。

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 標籤天線( 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,採用新標籤( Ⅰ)時,當h≥2 mm時,新標籤天線( Ⅰ)的電阻和電抗曲線較平緩,對物品介電常數不敏感。波動範圍在50～100Ω之間。但由於RFID標籤IC的電阻較小(20Ω左右) ,而標籤天線電阻的波動範圍(50～100Ω)仍然太大,與RFID 標籤晶片匹配存在困難。

為了進一步改善RFID標籤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,即採用2倍於標籤天線輪廓面積的空氣層和金屬層面積的標籤結構,簡稱為RF ID標籤( Ⅱ)結構,如圖9所示。


同樣的,假設包裝箱壁厚度為1 mm,εr = 3. 3,d = 200 mm,以h和介電常數ε′r為參數,用IE3D工具仿真在915MHz頻段上物品介電常數對新RFID標籤天線(Ⅱ)電阻和電抗的影響,如圖10和圖11所示。

 

從圖10和圖11中可以看出,空氣層和金屬層面積擴大一倍後,天線的電阻變化曲線明顯得到改善,當h≥2 mm時,新標籤( Ⅱ)天線阻抗的電阻和電抗變化曲線平緩,波動範圍不超過5%。由此可見,標籤天線( Ⅱ)的阻抗只與天線的結構和空氣層厚度有關,包裝箱內的物品種類對其影響不大。採用RFID 標籤( Ⅱ)結構,可以實現與包裝箱內物品種類無關的通用「RFID 包裝箱」。

3　實物測試與結果

根據上述仿真結果,採用標準白卡紙(εr =215) ,電鍍鋁箔成型製作了h = 2 mm的RFID 標籤( Ⅰ)和( Ⅱ)兩種標籤天線結構,如圖12所示。

選擇箱壁厚度為1 mm,εr = 2. 2, d = 175 mm的包裝箱作為測試環境,待測標籤天線內附在包裝箱壁,在包裝箱內均勻填充空氣(介電常數為1) ,複印紙(介電常數為2. 5) , PET塑料(介電常數為4. 2)和食鹽(介電常數為6. 2) ,使用矢量網絡分析儀Agilent 8753ET測試在上述介電常數的物質填充情況下,在915MHz頻段上圖12中的RFID標籤天線的阻抗測量值,如表1和表2所示。

由表1和表2可以看出,在不同介電常數的物品影響下, RFID 標籤天線(Ⅰ)和標籤天線(Ⅱ)的阻抗測量值均保持不變。其中, RFID 標籤(Ⅱ)天線電阻和電抗始終保持在20Ω和800Ω左右, 基本接近常用的 RFID 標籤晶片阻抗目標,具有很高的應用價值。

4　結束語

本文通過仿真手段模擬包裝箱內的介質環境,研究了介質環境對附著在包裝箱內壁的 RFID 標籤天線的影響。仿真結果表明紙基包裝箱壁和包裝箱內的物品是影響 RFID 標籤天線的兩大主要因素,需要根據特定的包裝箱和所包裝的物品訂製 RFID 標籤天線。包裝箱內物品的容積和等效介電常數對 RFID 標籤天線的阻抗有非常大的影響。為了減少 RFID 標籤天線的設計工作量,本文設計並改進了一種懸置微帶多層介質結構的 RFID 標籤天線,通過增加空氣層和金屬層隔離了包裝箱內物品對 RFID 標籤天線的影響,並最終通過實際製作和測試,證實了上述 RFID 標籤結構的可行性,使得「通用型」 RFID 包裝箱成為可能,具有廣泛的應用前景。

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