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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) 。

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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。

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圖4　ε′r對天線電阻R天線的影響

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圖5　ε′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。

  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 標簽天線的影響。仿真結果表明紙基包裝箱壁和包裝箱內的物品是影響 RFID 標簽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制 RFID 標簽天線。包裝箱內物品的容積和等效介電常數對 RFID 標簽天線的阻抗有非常大的影響。為了減少 RFID 標簽天線的設計工作量,本文設計并改進了一種懸置微帶多層介質結構的 RFID 標簽天線,通過增加空氣層和金屬層隔離了包裝箱內物品對 RFID 標簽天線的影響,并最終通過實際制作和測試,證實了上述 RFID 標簽結構的可行性,使得“通用型” RFID 包裝箱成為可能,具有廣泛的應用前景。