CN102129600A - 适用于烟盒识别的超高频rfid标签设计方法及其标签 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于烟盒识别的超高频RFID标签设计方法及其标签，属于无线射频技术领域。以烟盒中现有包装材料铝箔膜为辐射器，并去除部分铝箔膜设计成缝隙天线构造，利用铝箔膜切分线在打开烟盒包装时同时完成对RFID标签的物理性破坏。由于利用了香烟盒现有的包装材料，该设计方法尤其适用于现有烟草业香烟制造工程，大大降低了成本，得以实现RFID标签在烟草业的推广。

Description

适用于烟盒识别的超高频RFID标签设计方法及其标签

技术领域

发明涉及一种无线射频技术领域的RFID标签设计方法，具体的为一种适用于烟盒识别的超高频RFID标签设计方法及其标签。

背景技术

烟草行业中，为了建立起生产工艺流程和高效的流通系统，在物流和配送中起决定作用的分拣系统[Sorting System]是核心。多种方式的技术被导入以节省费用、提高效率、减少密集劳动力。传统的烟草行业的分拣系统是以使用RS485 Bus接口采集数据，它具有条码(bar-code)和光学扫描仪[Optical Scanner]、多节点[Multi Node]支持和远距离高速感应通信的优点。但它同时也存在条码系统易受灰尘污染、网络速度慢、不便实时处理、从属节点通信困难等缺点。与使用多主站[Multi Master]结构、通信速度提高、错误检测[Error Detecting]功能、错误提示[Faulty Messages]传送等高速控制器局域网总线技术[High Speed CAN Bus]和条码相比，优点更多的手动型RFID系统有逐渐取代这种现有分拣系统的趋势。

在烟草制造业中，利用信息技术实时掌控烟草产品的生产活动情况，对于提高产品质量、降低生产成本、缩短交货周期及时满足客户的各种需求、构筑快速应对环境剧变的柔性体系是十分重要的。RFID技术的飞跃发展虽然使烟草行业必要的生产信息化系统的构筑变成了可能，但是在导入到烟盒包装识别时，要求从根本上解决RFID标签初期导入的费用负担和烟盒内传导性包装材质带来的技术制约。

在香烟产业领域中，与批发/零售价格相比，各种税的比率为70%~80%，占非常大的比重。因此，在制造成本方面，每盒香烟RFID引进费用中，标签的初期引进费用占相当大的比重。

分析目前的烟草行业RFID适用案例，可以发现一直以来箱[Box]或烟盒[Carton of Cigarettes]包装、托盘[Pallet]包装的流通、物流行业，采用加贴专用标签的形式，即在烟盒包装、热收缩塑料（OPP膜类）包装中全程加贴13.56MHz天线或UHF带宽标签在烟盒包装的前、后面及侧面。传统的烟盒包装过程，为了防止流通中产品的水份变化、吸收到生活气体，往往需要经过OPP膜类的塑料包装和铝箔包装。从电气方面来看，由于用做烟盒包装原材料的铝箔接近附着的RFID标签，形成电等位面[Equipotential Surface]，会导致RFID标签和寄生元件[Parasitic Element]诱发带来的反射效率低下、共振频率偏移[Resonant Frequency Shift]，RFID系统整体可读取距离和一体识别率显著低下。所以采用外部附着标签的方法，其根本局限性在于RFID系统的电气特性低下，同时，烟盒包装的烟草零售价中税金比例高达70-80%，烟草生产企业感觉导入RFID标签的成本是最大的负担，从而从根本上阻碍烟盒包装识别[Item Level]的推广。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种UHF带宽RFID标签设计方法，把香烟包装盒材料铝箔膜利用成标签天线辐射体，沿着拆撕线开封香烟盒时能破坏标签。由于利用了香烟盒现有的包装材料，该设计方法尤其适用于现有烟草业香烟制造工程，大大降低了成本，得以实现RFID标签在烟草业的推广。

本发明的目的又在于，将RFID标签在识别方向特性方面设计成接近等方向，对香烟盒RFID标签识别率大有提高。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种适用于烟盒识别的超高频RFID标签设计方法，其特征在于，以烟盒中现有包装材料铝箔膜为辐射器，并去除部分铝箔膜设计成缝隙天线构造，利用铝箔膜切分线在打开烟盒包装时同时完成对RFID标签的物理性破坏。

在烟盒包装的识别环境中，为了消除烟盒包装识别的烟盒标签方向性，标签采用通过供电闭环式和开放结构的寄生辐射构造体，以烟盒中现有包装材料铝箔膜为辐射器，并去除部分铝箔膜设计成两个缝隙天线构造，通过闭环式的供电回路和一定间距的开放寄生回路的结合，进行复数阻抗匹配。利用铝箔膜切分线在打开烟盒包装时同时完成对RFID标签的物理性破坏。

由上述适用于烟盒识别的超高频RFID标签设计方法设计获得的烟草标签，其结构包括传导性铝箔膜作为辐射器、IC芯片，其特征在于，以烟盒中现有包装材料铝箔膜为该辐射器，并去除部分铝箔膜形成缝隙天线构造，所述IC芯片置于烟盒铝箔膜现有切分线内侧部分的缝隙天线上。缝隙天线的物理有效长度是UHF频段RFID中心频率时的半波长λ/2长度。

在香烟盒包装材质铝箔膜上附设有两个缝隙天线的结构，包括供电环和寄生断路环，两者之间保持一定间距。在香烟盒拆撕线内侧贴有RFID 芯片，所述供电环与RFID 芯片形成闭环，其作用是为匹配进行供电。所述寄生断路环执行辐射作用，寄生断路环终端具有开放结构，提供可以控制RFID标签进行阻抗匹配和辐射的电路。将RFID标签在识别方向特性方面设计成接近等方向，对香烟盒RFID标签识别率大有提高。

所述去除部分铝箔膜设计成的缝隙天线，其设置位置限于烟盒包装材料铝箔膜六面体中前一平面内或者跨越烟盒相邻两至三个面，大大增加了设计自由度。

所述缝隙天线其两侧设有终端残枝，附着在两侧的终端残枝[Stub]的长度便于实现标签的微型化和易于电阻匹配功能。

所述缝隙天线在切分线以内的有效长度在40mm到140mm范围内以共振模式作，该附设在烟盒切分线内侧的部分缝隙天线的有效长度，可扩展到全有效长度的1/4到1/2。

以阻抗匹配为目的的终端残枝，可位于烟盒经拆撕线的内侧或外侧，该拆撕线的有效长度，经拆撕线的内侧及外侧，可扩展到5mm到20mm范围。

在去除部分铝箔的缝隙天线上接合RFID的IC芯片，可选择利用辅料进行物理连接的跨接[Strap]方式进行接合，将铝箔膜出众的黏附力特性发挥到极致，如此从根源上降低了RFID芯片接合的费用成本。

与现有技术相比，本发明无线射频识别RFID标签设计方法由于采用现有的包装材质即铝箔膜作为天线发射体，同时该特别设计的烟盒包装识别RFID专用标签可以兼容在现有烟草生产工艺流程中进行生产（该烟盒包装识别RFID专用标签与现有昂贵的烟草生产设备相融合），在生产成本方面具有划时代的节减成本特点，能实现在铝箔包装的香烟盒包装识别中推广应用无线射频识别(RFID)标签，实现烟草流通过程中特定功能。由于将导电性铝箔膜天线设计成缝隙天线，不需要应用特定的匹配方式，仅通过变更IC芯片在缝隙天线上的位置以适应与不同阻抗IC芯片的匹配。IC芯片附着于烟盒拆撕线内侧的位置，消费者在开封香烟盒时，由于槽型的RFID标签有效长度(effective length)的自然变化，会导致标签识别功能丧失，即烟盒包装被撕开时就实现标签被一次性的物理性破坏。

本发明方法采用烟盒包装的传导性材质铝箔膜为发射体的缝隙天线（slot antenna），其优势在于使用现有烟草生产工艺流程的包装材质，可以减少烟草行业初期导入RFID的负担，还可以尽可能少地对高昂的生产设备进行改造，是一种易于推广使用的生产方法。而且该方法适应于与各种RFID芯片的匹配，其标签天线槽型形状都没有变化，从而可以用非常简单的方式进行复数阻抗匹配，大大提高了标签设计的自由度和生产的便利性。本发明设计方法应用到烟盒包装识别中，在成本费用和功能性方面为最合适的设计技法。

本发明实现了在烟草行业的烟盒包装识别中应用UHF带宽RFID标签，将现有烟盒包装材料即传导性铝箔形成槽型发射体，可在烟草成本的控制上有效降低导入成本，大幅减轻初期导入费用负担，确保RFID标签能够顺利导入烟草行业，创造这种契机正是本发明对本领域现有技术作出的伟大贡献。

附图说明

图 1为一般λ/4共振型残枝(stub)中心的同轴电缆传输线路供电的构造图。

图 2为λ/4 共振型的缝隙天线图。

图 3为中心供电的半波长(λ/2) 型的缝隙天线图。

图 4为中心供电的半波长(λ/2) 型的偶极天线图。

图 5表示传统香烟制造工程的顺序图。

图 6A、图6B分别为在烟盒前部平面设置缝隙天线的斜视图及其展开平面图。

图 7为：在烟盒前部平面设置缝隙天线，槽孔中心供电位置变化示意图。

图 8A、图8B为：在烟盒前部平面设置缝隙天线，根据偏移位置A,B,C,D变化，图示输入阻抗变化的结果图。

图 9A、图9B、图9C、图9D为在烟盒六面体中的左/右/后部/下侧等部分设置缝隙天线的示意图。

图 10A、图10B分别为实施例3环绕烟盒前部设置的RFID天线的斜视图及其展开平面图。

图 11 是图 10A、图10B标签天线在Smith Chart中的阻抗轨迹。

图12 是图 10A、图10B标签天线在X-Z平面内的辐射示意图。

图标记说明：附图中线条相交处出现的“×”无意义，由制图软件自动生成引起，不解释成说明书具有技术意义的原始公开内容。1: 缝隙天线（slot antenna），2: IC芯片，3: 铝箔膜，4: 铝箔膜切分线（或称“拆撕线”），5: 终端残枝[Stub]，6: 折叠线，10: 闭环结构，20: 用于阻抗匹配的寄生断路环终端的开放结构。

具体实施方式

以下结合附图对本发明技术方案作进一步说明。

本发明机制以缝隙天线的原理为基础，是一种可应用在传导性包装材质铝箔的烟盒包装上的最佳设计技法。

图1所示为一般的λ/4共振型残枝中心的同轴电缆传输线路供电构造。当邻近的残枝间距(w)比波长小时(w≪λ)，λ/4共振型残枝间呈逆转位相的电流分布，这种电流在远距离领域[Far-Field]形成互相削弱的辐射场[Radiation Field]。分布在残枝终端[End Point]的电流会形成同位相[Same Phase]辐射，但短偶极振子[Short Dipole]形态的辐射器构造还不是有效的辐射器。

图2所示为半波长(λ/2)缝隙天线(slot antenna），是新近出现的一种可以从根源上克服上述辐射效率问题的天线构造。平面导体（metal plate）构造体上设置半波长(λ/2)长度的槽孔，当槽宽比波长小时(w≪λ)，协助槽孔辐射的电流分布不仅在槽孔终端，更是分布在整体平面导体构造上，从而增加了有效辐射面积，有效提高了缝隙天线辐射效率。手动RFID系统的优点是，整体导体平面的电流分布集聚了标签IC-chip的驱动电流，增益的有效反射器[Reflector]具有在后方散射(Backscattering)过程中实现数据识别[Identification]。

图3所示构造为RFID IC-chip阻抗匹配提供了一种方法论，导体平面半波长(λ/2)槽孔中心的特性阻抗[Characteristic Impedance]成份500Ω，通过选择与槽孔中心绝缘的供电位置，与各种RFID IC-chip进行有效的阻抗匹配。图3水平面内的半波长(λ/2)缝隙天线(slot antenna）的辐射模式与图4所示的半波长(λ/2)偶极子天线[Dipole Antenna]的辐射模式形成互补关系，缝隙天线的导体平面的电场[Electric Field]和磁场[Magnetic Field]交替[Interchange]，这种情况与垂直于导体平面的槽孔的电场[Electric Field]成份和磁场[Magnetic Field]切向分量[Tangential Component]不连续[Discontinuous]的情况不同。

为了实现低费用引进RFID，与原有制造工程最类似地应用，必须尽可能小得修改原有制造工程的变化。要想缩小其工程变化，就有必要寻找在流通、物流包装阶段之前应用最小包装单位RFID标签的方法。图5所示现有传统的香烟制造工程顺序。为了在最小包装单位的香烟盒上应用RFID标签，可在包装烟卷儿的烟盒包装阶段或流通中防止水分变化为目的的玻璃纸包装阶段。

实施例1

在烟盒前部平面设置缝隙天线的斜视图(6A)及平面图(6B)。去除香烟盒前一面的铝箔形成了RFID标签的辐射结构体，且贴有RFID IC芯片的上侧部分设在拆开香烟时被拆部分的内侧，因此，当拆开香烟时具备物理性破坏功能。附在香烟前一面的缝隙天线的直线距离是根据半波长的长度所设定的，且两端的终端残枝(stub)的长度，是为了小型化和便于阻抗匹配而设计的。

如图6A、图6B所示，将共振长度符合烟草铝箔包装的几何学式的铝箔膜被部分去除后的缝隙天线RFID标签，以烟盒中现有包装材料铝箔膜3为该辐射器，并去除部分铝箔膜形成缝隙天线1构造，所述IC芯片2附着于烟盒铝箔膜现有切分线4内侧（即如图6A、图6B所示切分线的上位）部分的缝隙天线上。所附设缝隙天线1的物理有效长度(effective length)是，UHF频段RFID中心频率时的半波长(λ/2)长度。所述缝隙天线1在切分线4以内的有效长度在40mm到140mm范围内都以共振模式(resonant mode)工作。该附设在烟盒切分线4内侧的部分缝隙天线的有效长度，可扩展到全有效长度的1/4到1/2(即：λ/8~λ/4)。所述以阻抗匹配为目的的终端残枝5，可位于烟盒经拆撕线4的内侧或外侧。该拆撕线4 (stub)的有效长度，经拆撕线4的内侧及外侧，可扩展到5mm到20mm范围，且根据接合在缝隙天线1内部的芯片2的位置，可应用成两终端对称或者非对称等多种形式。

图7中，为了探究本研究所展示的槽型RFID标签的电阻抗特性，把对应于槽型中心四个供电位置A,B,C,D的输入阻抗变化，根据其实数部(real part)和虚数部(imaginary part)，分别图示在图8A和图8B中。标签槽孔中心的偏移位置在四处变换时，与商用RFID芯片Impinj Monza 2的45Ω和 Alien Higgs 2的20Ω相比，阻抗的实数部变化幅度仅在极小的0-10Ω范围值内。为了匹配最大电力传输为核心的复数阻抗，仔细观察分析不同偏移位置的变化结果，可以发现复阻抗在全世界UHF频段内具有80Ω到200Ω之间相对较宽的分布范围。香烟盒前一面缝隙天线直线长度，根据香烟盒的长度，可在30mm到80mm范围内变化。 使RFID IC芯片位于拆撕线4内侧，缝隙天线直线长度可与终端残枝(stub)长度一起成为匹配阻抗的设计变数。

改变缝隙天线的偏移(off-set)位置，以匹配各种芯片阻抗的复数阻抗，可以看出实际Impinj Monza 2商用芯片和 Alien Higgs 2商用芯片的最佳匹配位置分别为A和C。这样，在被固定的缝隙天线上，可以根据供电位置的变化任意选择具有多阻抗特性的RFID芯片使用，为企业提供了主动应对RFID IC芯片市场变化的根本解决方案。这种简便的复数阻抗匹配方式，在烟盒包装的六面体中任意形式附着的缝隙天线，应用范围更为灵活宽泛，且引入缝隙天线终端残枝附着法可以使阻抗匹配更为容易。

实施例2

如图图 9A、图9B、图9C、图9D所示，制造香烟时为了追求便利性和在烟盒包装六面体附着多个槽孔的各种形式的设计方法。

图9A为设置在烟盒包装前部和左侧的槽孔的设计构造。两终端残枝(stub)有效长度，在拆撕线内侧可扩展到λ/8到λ/4长度，且附着在拆撕线内侧的RFID IC芯片位置，可结合在最佳的阻抗匹配位置A。该终端残枝(stub)的有效长度，经拆撕线的内部左上侧，可扩展到5mm到20mm范围。且根据结合在缝隙天线内部的芯片的位置，可应用成两终端对称/非对称等多种形式。

图9B为根据铝箔折叠结构、设置在烟盒右侧和后部的槽孔的设计构造。图9C为设置在烟盒包装的前部和后部的槽孔天线构造被切开线截开时得到其他面积，从而简化生产工艺流程的方法。这种在香烟盒内部以2~3面的立体缝隙形式附设扩散了的设计图案，是一种可改善读写器和香烟盒包装RFID标签之间方向性问题的无方向性(isotropic)设计方案。

图9D为扩展到香烟盒前一面和底面的缝隙天线结构，被拆撕线4撕下来时，具有两个不同的面积，是一种可给制造工程带来便利性的方式。

如上所述的设计自由度，在自动识别情况下，提高识别率、改善识别方向所定的一体识别率方面具有多形式的参考价值。

实施例3

图 10A、图10B表示的是在烟盒包装的识别环境中，为消除RFID标签的方向性而采用的共振环[Ring]结构设计方案。以烟盒中现有包装材料铝箔膜为辐射器，并去除部分铝箔膜设计成两个缝隙天线构造，具有与RFID IC芯片形成闭环[Closed Loop]的供电部分和可以控制RFID标签进行阻抗匹配的辐射部分，利用铝箔膜切分线在打开烟盒包装时同时完成对RFID标签的物理性破坏。

此设计通过去除烟盒现有铝箔膜涂抹区域，在香烟盒包装材质铝箔膜上附设有两个缝隙天线的结构，即：包括供电环和寄生断路环，两者之间保持一定间距。在香烟盒拆撕线4内侧贴有RFID 芯片2，所述供电环与RFID 芯片2形成闭环10，其作用是为匹配进行供电。所述寄生断路环执行辐射作用，寄生断路环终端具有开放结构20，提供可以控制RFID标签进行阻抗匹配和辐射的电路。寄生辐射缝隙天线可位于拆撕线4的内侧或外侧。与供电环形成闭环的RFID芯片2附设在拆撕线4内侧，是为了使其具备撕开即被损坏功能而设置其位置的。这种在香烟盒内部以2至3个面立体形式附设槽型的扩展设计图案，具有可以改善读写器天线识别烟盒包装RFID标签的无方向(isotropic)特性的特征。

图 11中的标点1表示的是在860MHz频段时的实数部27.07Ω和虚数部93.9Ω的值，标点2和标点3各表示的是在910MHz和960MHz频段时的63.74+j150.3Ω和203.8+j239.7Ω阻抗值。传送最大功率的复阻抗值显示出了正好能与商用RFID IC芯片的虚数值进行阻抗匹配，且根据变更槽孔终端残枝位置和变更缝隙天线之间间距的设计变数，可应用成抗匹配为目的的变数。

图12 中，空间辐射图的正反向比(front-to-back ratio)特性具有1.5dBi以内的值，因此可以确认，以香烟盒为基准的直角坐标系中，在X-Z平面内具有接近等方向性的特性，且可以确认识别每个香烟盒标签时，具有良好的无方向性。虽然最大辐射方向在基准坐标系中指向180˚方向，但在无源RFID系统中，这种特性对标签的识别方向性不会起到太大的影响。本实施例，可在任意方向角度的识别环境中、在可识读距离内弱化方向性的设计结构，为烟盒识别包装环境提供最佳识别环境的设计方案。

各个实施例中，在去除部分铝箔膜的缝隙天线1上接合RFID IC芯片2，可以采用可与烟盒包装材料铝箔膜密切融合接触的黏合剂的黏合连接方式。也可选择利用辅料进行物理连接的跨接[Strap]方式进行接合，将铝箔膜出众的黏附力特性发挥到极致，如此从根源上降低了RFID芯片接合的费用成本。

在本发明中，使RFID的应用能够实现在原先香烟制造阶段的烟盒包装阶段段。因此，能够提供考虑到初期RFID引进费用的低费用RFID标签天线。在香烟产业领域中，与批发/零售价格相比，各种税的比率为70%~80%，占非常大的比重。因此，在制造成本方面，每盒香烟RFID引进费用中，控制了标签的初期引进费用，从根本上节省了制造成本。

Claims (9)

1. 一种适用于烟盒识别的超高频RFID标签设计方法，其特征在于，以烟盒中现有包装材料铝箔膜为辐射器，并去除部分铝箔膜设计成缝隙天线构造，利用铝箔膜切分线在打开烟盒包装时同时完成对RFID标签的物理性破坏。

2. 如权利要求1所述的适用于烟盒识别的超高频RFID标签设计方法，其特征在于，为了消除烟盒包装识别的烟盒标签方向性，标签采用通过供电闭环式和开放结构的寄生辐射构造体，以烟盒中现有包装材料铝箔膜为辐射器，并去除部分铝箔膜设计成两个缝隙天线构造，通过闭环式的供电回路和一定间距的开放寄生回路的结合，进行复数阻抗匹配,利用铝箔膜切分线在打开烟盒包装时同时完成对RFID标签的物理性破坏。

3. 一种由权利要求1所述的适用于烟盒识别的超高频RFID标签设计方法设计获得的标签，其结构包括IC芯片和传导性铝箔膜，其特征在于，以烟盒中现有包装材料铝箔膜为该辐射器，并去除部分铝箔膜形成缝隙天线构造，所述IC芯片置于烟盒铝箔膜现有切分线内侧部分的缝隙天线上,缝隙天线的物理有效长度是UHF频段RFID中心频率时的半波长λ/2长度。

4. 如权利要求3所述的适用于烟盒识别的超高频RFID标签设计方法设计获得的标签，其特征在于，在香烟盒包装材质铝箔膜上附设有两个缝隙天线的结构，包括供电环和寄生断路环，两者之间保持一定间距，在香烟盒拆撕线内侧贴有RFID 芯片，所述供电环与RFID 芯片形成闭环，所述寄生断路环终端具有开放结构。

5. 如权利要求3所述的适用于烟盒识别的超高频RFID标签设计方法设计获得的标签，其特征在于，所述去除部分铝箔膜设计成的缝隙天线，其设置位置限于烟盒包装材料铝箔膜六面体中前一平面内或者跨越烟盒相邻两至三个面。

6. 如权利要求3至5任一所述的适用于烟盒识别的超高频RFID标签设计方法设计获得的标签，其特征在于，所述缝隙天线其两侧设有终端残枝。

7. 如权利要求6所述的适用于烟盒识别的超高频RFID标签设计方法设计获得的标签，其特征在于，所述终端残枝位于烟盒经拆撕线的内侧或外侧，经拆撕线的内侧及外侧，可扩展到5mm到20mm范围。

8. 如权利要求3至5任一所述的适用于烟盒识别的超高频RFID标签设计方法设计获得的标签，其特征在于，所述缝隙天线在切分线以内的有效长度在40mm到140mm范围内，该附设在烟盒切分线内侧的部分缝隙天线的有效长度，可扩展到全有效长度的1/4到1/2。

9. 如权利要求3至5任一所述的适用于烟盒识别的超高频RFID标签设计方法设计获得的标签，其特征在于，所述缝隙天线与RFID的 IC芯片之间采用跨接方式接合。

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