行李箱材質(zhì)對行李RFID識別效果影響的研究

摘 要：機場行李分揀系統(tǒng)使用RFID技術(shù)進行行李識別時，常遇到RFID行李標(biāo)簽貼緊行李箱表面時識別率降低的情況。針對該問題，研究了RFID行李標(biāo)簽天線和行李箱材質(zhì)，在MATLAB軟件中建立RFID行李標(biāo)簽天線緊貼在與行李箱材質(zhì)相當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)表面的模型，并進行仿真。仿真結(jié)果表明，介質(zhì)材料的存在會使RFID行李標(biāo)簽天線的性能發(fā)生變化。當(dāng)RFID行李標(biāo)簽緊貼在行李箱表面時，行李箱材質(zhì)會影響RFID識別設(shè)備的識別效果。

關(guān)鍵詞：RFID行李標(biāo)簽天線；介質(zhì)常數(shù)；MATLAB；識別效果；行李處理系統(tǒng)；RFID識別設(shè)備；頻段

中圖分類號：TP39；TN817 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-00-04

0 引 言

國際航空運輸協(xié)會（International Air Transport Association， IATA）發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)RP1740C中推薦將無線射頻識別（Radio Frequency Identification， RFID）技術(shù)作為行李識別技術(shù)，還發(fā)布了753號決議，要求全球部署RFID行李跟蹤技術(shù)。由此，RFID越來越多地在托運行李分揀、全程跟蹤等場景中得到應(yīng)用。RP1740C及753號決議推薦使用超高頻（Ultra High Frequency， UHF）頻段的無源標(biāo)簽作為RFID行李標(biāo)簽，用于分揀和跟蹤識別[1-2]。

行李RFID識別過程如下：部署在行李處理系統(tǒng)中的固定式或移動式RFID識別設(shè)備發(fā)射調(diào)制電磁波，RFID行李標(biāo)簽天線感應(yīng)電磁波并轉(zhuǎn)換為電能，激活RFID行李標(biāo)簽芯片，芯片解調(diào)電磁波所攜帶數(shù)據(jù)，根據(jù)協(xié)議將存儲在芯片內(nèi)的行李碼通過反向調(diào)制方式發(fā)送至RFID識別設(shè)備，RFID識別設(shè)備解調(diào)后得到行李碼，發(fā)送至行李處理系統(tǒng)用于分揀或跟蹤。

相對于一維條形碼，RFID具有更高的識別率。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，使用RFID技術(shù)識別行李后，行李系統(tǒng)的識別率從90%左右提升到99%以上，極大地降低了行李識別差錯率[3]。

RFID行李標(biāo)簽未能被識別的原因包括標(biāo)簽被卷曲折疊導(dǎo)致標(biāo)簽天線無法有效感應(yīng)電磁波、標(biāo)簽被壓在金屬板上而無法感應(yīng)電磁波等。在針對RFID行李標(biāo)簽未識別情況進行分析時，可觀察到當(dāng)標(biāo)簽緊貼在行李箱表面時，即便沒有卷曲折疊或者壓在金屬上，也容易出現(xiàn)未識別的情況。

本文將針對上述情況，通過研究RFID行李標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)、行李箱材料介電常數(shù)，使用MATLAB軟件仿真不同介電常數(shù)下RFID行李標(biāo)簽天線的性能變化，分析行李箱材質(zhì)對行李RFID識別效果的影響。

1 RFID行李標(biāo)簽天線

UHF無源RFID行李標(biāo)簽依賴天線感應(yīng)收集電磁波能量來完成激活、應(yīng)答。如果RFID行李標(biāo)簽天線不能感應(yīng)RFID識別設(shè)備發(fā)射的電磁波或者感應(yīng)效率低，RFID識別設(shè)備難以成功識別出RFID行李標(biāo)簽。

1.1 RFID標(biāo)簽天線類型

根據(jù)天線感應(yīng)耦合電磁波方式、加工方式等不同，RFID標(biāo)簽天線可以分為三大類，分別是線圈型、偶極子以及縫隙型。線圈型天線是在平面將金屬導(dǎo)線盤繞在磁芯上，以磁耦合為主要感應(yīng)方式，主要用于低頻（LF）及高頻（HF）RFID識別。偶極子天線是由兩段等長等寬導(dǎo)線排成一條直線構(gòu)成，激勵信號從中間饋入，以電磁感應(yīng)為主要感應(yīng)方式，用于UHF RFID識別?？p隙型天線是在導(dǎo)體面上開縫形成的天線，通過跨接在窄邊上的傳輸線饋電，同樣也主要用于UHF的RFID識別[4]。

在RFID技術(shù)發(fā)展過程中，有四款RFID標(biāo)簽天線設(shè)計較為經(jīng)典。當(dāng)前多數(shù)RFID標(biāo)簽天線設(shè)計普遍學(xué)習(xí)和參考了這四款標(biāo)簽天線的設(shè)計[5]。

1.1.1 ALN-9640天線

ALN-9640天線尺寸為94.8 mm×8.1 mm。該標(biāo)簽天線設(shè)計特點包括：兩端加寬，增加輻射電阻；使用折疊線結(jié)構(gòu)使得長度為9.48 cm的標(biāo)簽可以達到17 cm的電長度；天線兩臂非對稱結(jié)構(gòu)使得阻抗在不同頻率變化平緩，從而增加標(biāo)簽的帶寬。

此類天線的標(biāo)簽最適合應(yīng)用于箱標(biāo)，支持批量箱子堆疊的識別。

1.1.2 ALN-9654天線

ALN-9654天線尺寸為93 mm×19 mm。這款天線設(shè)計特點包括：使用大面積金屬，等效反射截面大，反向散射能量強，使得復(fù)雜環(huán)境下亦可識別該標(biāo)簽；采用縫隙耦合方式，受外部介電常數(shù)影響小，環(huán)境適應(yīng)能力強；天線兩臂采用非對稱結(jié)構(gòu)使得阻抗在不同頻率變化平緩，增加標(biāo)簽的帶寬。

這種天線的標(biāo)簽適合貼在有不同介電常數(shù)的物體上，常用于玻璃風(fēng)擋標(biāo)簽。但因標(biāo)簽面積大，會遮擋住后面RFID標(biāo)簽的電磁場，不適合在需要批量識別的場景下應(yīng)用。

1.1.3 ALN-9613天線

ALN-9613天線尺寸為12 mm×9 mm。該標(biāo)簽天線的特點是結(jié)構(gòu)為閉合的環(huán)形，尺寸小，只能近距離工作。

此類型天線的標(biāo)簽通常制作成易碎標(biāo)簽用于防偽。

1.1.4 H47天線

H47天線尺寸為44 mm×44 mm。該標(biāo)簽天線的特點是在一個正方形或圓形的區(qū)域內(nèi)，設(shè)計了兩個相互垂直的偶極子天線，實現(xiàn)全向輻射。

此類型天線的標(biāo)簽可用范圍較廣，包括服裝、零售、物流、資產(chǎn)管理等。尤其在RFID標(biāo)簽位置不固定、識別設(shè)備的輻射極化方向不確定的場景使用時有較好的識別效果。

1.2 RFID標(biāo)簽天線的參數(shù)

RFID標(biāo)簽天線的參數(shù)有很多，其中諧振頻率、阻抗、增益等對于RFID標(biāo)簽的性能影響較大。

1.2.1 諧振頻率

工業(yè)和信息化部無線電管理局2023年1月4日發(fā)布的《900 MHz頻段射頻識別（RFID）設(shè)備無線電管理規(guī)定（征求意見稿）》，限制UHF頻段RFID的工作頻率范圍為920～925 MHz[6]。RFID標(biāo)簽為無源器件，其天線的諧振頻率需要同樣保持在920～925 MHz中才能最大程度感應(yīng)這個頻段的電磁波。

天線的諧振頻率與電長度相關(guān)。電長度是電線物理長度除以自由空間中波傳輸速度與電線中波傳輸速度之比。但電磁波在介質(zhì)中傳播時受到介質(zhì)影響會改變電長度，其變化值與電磁波頻率、介質(zhì)材料的介電常數(shù)有關(guān)。如果RFID標(biāo)簽天線緊貼在介質(zhì)材料上，其電長度可能會發(fā)生變化而影響諧振頻率。

RFID標(biāo)簽天線在設(shè)計制造時已經(jīng)確定在某一頻率調(diào)諧，并在此諧振頻率為中心的一段頻帶上也可正常工作。其他天線參數(shù)（尤其是增益和阻抗）也相應(yīng)地在調(diào)諧頻率上與RFID芯片達到最佳匹配，在其他頻率上則會失配。

1.2.2 阻抗

天線阻抗為天線端口的總電壓與總電流之比，當(dāng)天線阻抗和激勵源或負載阻抗為共軛匹配時，可以達到最大的功率傳輸效率。根據(jù)傳輸線理論，開路天線的輸入阻抗為Zin=Zccoth（γl），其中特性阻抗，傳播常數(shù)，分別為衰減常數(shù)和相位常數(shù)，Rl、Gl、Ll和Cl為傳輸線的分布參數(shù)，代表單位長度上的電阻、電導(dǎo)、電感和電容。這些參數(shù)與天線幾何形狀、尺寸以及介質(zhì)材料的介電常數(shù)等相關(guān)。

對于RFID標(biāo)簽來說，標(biāo)簽天線的阻抗和RFID芯片的阻抗達到了共軛匹配的狀態(tài)。如果天線緊貼到介質(zhì)材料上，介質(zhì)材料的介電常數(shù)可能會影響天線的阻抗，進而影響功率傳輸效率。

1.2.3 增益

天線增益是指在最大輻射方向上，有向天線的輻射強度與具有相同輸入功率的無耗各向同性天線的輻射強度之比，通常以dBi表示。天線增益主要受天線幾何形狀、陣子分布、基材介電常數(shù)等因素影響。

RFID標(biāo)簽天線并不追求過高天線增益，理想的增益為0 dBi，表示各向輻射效果相同，以便在實際使用時可以不用考慮標(biāo)簽的方向而獲得最佳的識別效果。

如果RFID標(biāo)簽天線緊貼到介質(zhì)材料上，介質(zhì)材料可能會改變天線的增益和方向，使得在某些角度下難以獲取足夠的電磁波能量。

1.3 行李RFID標(biāo)簽天線

RFID行李標(biāo)簽由面層、底層以及INLAY層組成。面層為熱敏銅版紙加上防水的PVC，可通過打印機印刷行李信息字符和一維條形碼。底層為滌綸綢帶/尼龍膠帶加上防水的PVC，底層可在出廠時打印好固定的文字內(nèi)容。INLAY層包含了RFID芯片以及RFID標(biāo)簽天線，RFID芯片通過各向異性導(dǎo)電膠和RFID標(biāo)簽天線連接在一起。面層、INLAY層以及底層之間用膠水粘合成RFID行李標(biāo)簽[7]。

RFID行李標(biāo)簽的使用特點是可能附著在托運行李的把手或表面，通過RFID識別設(shè)備時位置的隨機性較強。因此，多數(shù)RFID行李標(biāo)簽都使用偶極子天線類型，參考ALN-9640或H47天線的設(shè)計思路進行設(shè)計。

2 行李箱

2.1 不同的行李箱材質(zhì)

市面上常見行李箱可以分為硬殼行李箱和軟殼行李箱兩大類。硬殼行李箱主要采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚丙烯（PP）、聚碳酸酯（PC）、聚氯乙烯（PVC）、鋁鎂合金等加工制作。軟殼行李箱主要采用聚乙烯（PE）、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、尼龍牛津布等加工制作。

硬殼行李箱有著較好的耐磨性、抗壓性、抗撞擊性以及防水性能，能保護箱體內(nèi)的物品。軟殼行李箱材質(zhì)柔軟，質(zhì)地較輕，有不錯的韌性，可以提供彈性使用空間。但是在防水性、耐磨性上不如硬殼行李箱。因此在托運行李時，硬殼行李箱的使用比例更高。硬殼行李箱的表面平整結(jié)實，RFID行李標(biāo)簽容易緊貼在表面上。

2.2 不同材質(zhì)介質(zhì)常數(shù)

常見行李箱材質(zhì)中，除了鋁鎂合金為金屬導(dǎo)體，其他都是非導(dǎo)體材料。電磁波能夠在非導(dǎo)體材料中傳播，但在傳播過程中會和分子產(chǎn)生耦合而產(chǎn)生損耗，各類材質(zhì)有著不同的介質(zhì)常數(shù)，對于電磁波的耦合能力不相同。

介質(zhì)常數(shù)具有復(fù)數(shù)形式，實數(shù)部分為介電常數(shù)ε，虛數(shù)部分為損耗因子Df。損耗角θ是損耗因子Df與介電常數(shù)ε的比值，損耗角的正切值tanθ被用來表示材料和電磁波的耦合能力。

常見行李箱材質(zhì)的介質(zhì)常數(shù)見表1所列[8]。

2.3 行李處理系統(tǒng)對標(biāo)簽位置的影響

為了使行李在經(jīng)過識別設(shè)備時一維條碼或者RFID標(biāo)簽?zāi)軌虮豁樌詣幼R別到，通常情況下，值機人員會將RFID行李標(biāo)簽穿過行李的把手后對折粘貼，并拉平整，如圖1所示。托運行李進入行李處理系統(tǒng)后會經(jīng)過多種輸送設(shè)備，出現(xiàn)顛簸、轉(zhuǎn)向、翻轉(zhuǎn)等情況，RFID行李標(biāo)簽也可能會被緊壓在行李表面，接觸到行李箱材質(zhì)，如圖2所示。

3 行李箱材質(zhì)對RFID行李標(biāo)簽天線的影響

在行李處理系統(tǒng)運行中會觀察到，當(dāng)RFID行李標(biāo)簽接觸到行李箱表面時容易出現(xiàn)無法識別的情況。

為了分析行李箱材質(zhì)對RFID行李標(biāo)簽天線的影響，將使用MATLAB軟件建立RFID標(biāo)簽天線模型，將其附著在與行李箱材質(zhì)相同介質(zhì)常數(shù)的介質(zhì)上，仿真計算附著前后的參數(shù)變化。

3.1 RFID標(biāo)簽天線模型

MATLAB的Antenna Toolbox提供了設(shè)計、分析單元天線和陣列天線并使其可視化的功能，可以使用具有參數(shù)化幾何結(jié)構(gòu)的預(yù)定義單元或任意平面單元設(shè)計獨立的天線或創(chuàng)建陣列天線[9]。

Antenna Toolbox提供了design工具用于生成指定諧振頻率的指定天線模型或天線陣列模型，該工具的參數(shù)包括antenna和frequency，其中antenna用于指定天線類型，frequency用于指定諧振頻率[10]。

RFID行李標(biāo)簽天線多采用偶極子天線類型，因此將antenna設(shè)置為dipole，代表偶極子天線；將frequency設(shè)置為922e6，為920～925 MHz的中間頻率922 MHz。

RFID_ant = design（dipole， 922e6）由此得到諧振頻率為922 MHz的偶極子天線模型RFID_ant。

使用impedance及pattern函數(shù)繪制該天線模型的阻抗和方向圖，如圖3所示。從結(jié)果中可以看出最大增益為

2.1 dBi，922 MHz阻抗為（70+j0）Ω。

查看天線模型RFID_ant的參數(shù)RFID_ant.Length為15.28 cm，是922 MHz電磁波波長的一半，符合偶極子天線的定義。

使用show及sparameters、rfplot函數(shù)繪制該天線模型及S參數(shù)曲線，如圖4所示，可以看出諧振頻率為922 MHz。

3.2 附著介質(zhì)后的RFID標(biāo)簽天線模型

MATLAB提供dielectric函數(shù)用于創(chuàng)建介質(zhì)模型，從表1中選擇ABS（工程塑料）作為介質(zhì)來模擬行李箱，EpsilonR（）取值5.0，LossTangent（）取值0.026，Thickness（厚度）設(shè)置為0.5 cm。

創(chuàng)建和ABS相同介質(zhì)常數(shù)的介質(zhì)模型：t=dielectric（‘Name’，‘ABS’，‘EpsilonR’，5.0， ‘LossTangent’， 0.026， ‘Thickness’， 0.005）

reflector函數(shù)可以仿真多種天線模型有介質(zhì)情況下的性能。將天線模型RFID_ant作為激勵源Exciter，使用介質(zhì)模型t作為Substrate參數(shù)，天線和介質(zhì)距離Spacing設(shè)置為0。得到一個附著在ABS上的偶極子天線模型rf：

rf=reflector（‘Exciter’， RFID_ant， ‘Spacing’， 0， ‘Substrate’， t）使用show及sparameters、rfplot函數(shù)繪制該天線模型及S參數(shù)曲線，如圖5所示，可以看出諧振頻率偏移超過1 GHz。

使用impedance及pattern函數(shù)繪制天線模型rf的阻抗和方向圖，如圖6所示。附著介質(zhì)的偶極子天線方向圖和單獨偶極子天線方向圖相比變化較小，但是最大增益降低為1.8 dBi。阻抗的變化則非常明顯，922 MHz阻抗變?yōu)椋?0-j430）Ω。

3.3 仿真結(jié)果分析

通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)RFID行李標(biāo)簽緊貼在行李箱表面時，行李箱材質(zhì)的介質(zhì)常數(shù)會對RFID標(biāo)簽天線的性能產(chǎn)生較大的影響，主要體現(xiàn)在諧振頻率發(fā)生偏移，導(dǎo)致920～925 MHz范圍內(nèi)的阻抗發(fā)生變化。在RFID芯片阻抗不變的情況下，RFID芯片與RFID標(biāo)簽天線會處于失配狀態(tài)，功率傳輸效率將嚴重降低，無法有效感應(yīng)920～925 MHz的電磁波。

如果此時RFID識別設(shè)備依然使用920～925 MHz電磁波進行識別，行李RFID識別便會出現(xiàn)不成功的情況。

4 結(jié) 語

在嘗試解決RFID行李標(biāo)簽識別不成功問題時，改變RFID識別設(shè)備的輸出頻率后，可以發(fā)現(xiàn)對緊貼在行李箱表面的RFID行李標(biāo)簽的識別效果得到明顯改善，與仿真分析結(jié)果相吻合。

受到頻率監(jiān)管法規(guī)的限制，正常使用RFID識別設(shè)備必須使用允許的頻段范圍，不能通過改變RFID識別設(shè)備的頻段來解決RFID行李標(biāo)簽緊貼在行李箱表面導(dǎo)致無法識別的問題。最有效的解決方式是將行李箱材質(zhì)對RFID標(biāo)簽天線的影響考慮進RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計過程，通過天線兩側(cè)導(dǎo)線形狀的優(yōu)化、兩端采用非對稱結(jié)構(gòu)等方法，拓寬天線的阻抗匹配帶寬，緩解緊貼到介質(zhì)材料后的頻率偏移帶來的阻抗失配程度，降低識別不成功的概率。

參考文獻

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作者簡介：朱志宇（1979—），男，本科，工程師，研究方向為包括RFID在內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

收稿日期：2023-04-21 修回日期：2023-05-18