適用於煙盒包裝識別的uhf帶寬rfid標籤的製作方法

2023-05-21 21:19:01

專利名稱：適用於煙盒包裝識別的uhf帶寬rfid標籤的製作方法
技術領域：
實用新型涉及一種無線射頻技術領域的RFID標籤設計方法，具體的為一種應用於菸草產業用於煙盒包裝識別的RFID標籤。
背景技術：
菸草行業中，為了建立起生產工藝流程和高效的流通系統，在物流和配送中起決定作用的分揀系統[Sorting System]是核心。多種方式的技術被導入以節省費用、提高效率、減少密集勞動力。傳統的菸草行業的分揀系統是以使用RS485 Bus接口採集數據，它具有條碼(bar-code)和光學掃描儀[Optical Scanner]、多節點[Multi Node]支持和遠距離高速感應通信的優點。但它同時也存在條碼系統易受灰塵汙染、網絡速度慢、不便實時處理、從屬節點通信困難等缺點。與使用多主站[Multi Master]結構、通信速度提高、錯誤檢測[Error Detecting]功能、錯誤提示[Faulty Messages]傳送等高速控制器區域網總線技術[High Speed CAN Bus]和條碼相比，優點更多的手動型RFID系統有逐漸取代這種現有分揀系統的趨勢。在菸草製造業中，利用信息技術實時掌控菸草產品的生產活動情況，對於提高產品質量、降低生產成本、縮短交貨周期及時滿足客戶的各種需求、構築快速應對環境劇變的柔性體系是十分重要的。RFID技術的飛躍發展雖然使菸草行業必要的生產信息化系統的構築變成了可能，但是在導入到煙盒包裝識別時，要求從根本上解決RFID標籤初期導入的費用負擔和煙盒內傳導性包裝材質帶來的技術制約。在香菸產業領域中，與批發/零售價格相比，各種稅的比率為709Γ80%，佔非常大的比重。因此，在製造成本方面，每盒香菸RFID引進費用中，標籤的初期引進費用佔相當大的比重。分析目前的菸草行業RFID適用案例，可以發現一直以來箱[Box]或煙盒[Carton of Cigarettes]包裝、託盤[Pallet]包裝的流通、物流行業，採用加貼專用標籤的形式，即在煙盒包裝、熱收縮塑料(0ΡΡ膜類)包裝中全程加貼13. 56MHz天線或UHF帶寬標籤在煙盒包裝的前、後面及側面。傳統的煙盒包裝過程，為了防止流通中產品的水份變化、吸收到生活氣體，往往需要經過OPP膜類的塑料包裝和鋁箔包裝。從電氣方面來看，由於用做煙盒包裝原材料的鋁箔接近附著的RFID標籤，形成電等位面[Equipotential Surface]，會導致RFID標籤和寄生元件[Parasitic Element]誘髮帶來的反射效率低下、共振頻率偏移 [Resonant Frequency Shift]，RFID系統整體可讀取距離和一體識別率顯著低下。所以採用外部附著標籤的方法，其根本局限性在於RFID系統的電氣特性低下，同時，煙盒包裝的菸草零售價中稅金比例高達70-80%，菸草生產企業感覺導入RFID標籤的成本是最大的負擔，從而從根本上阻礙煙盒包裝識別[Item Level]的推廣。

實用新型內容本實用新型的目的在於克服現有技術的不足，提供一種UHF帶寬RFID標籤設計方
3法，把香菸包裝盒材料鋁箔膜利用成標籤天線輻射體，沿著拆撕線開封香菸盒時能破壞標籤。由於利用了香菸盒現有的包裝材料，該設計方法尤其適用於現有菸草業香菸製造工程， 大大降低了成本，得以實現RFID標籤在菸草業的推廣。本實用新型的目的又在於，將RFID標籤在識別方向特性方面設計成接近等方向， 對香菸盒RFID標籤識別率大有提高。以煙盒中現有包裝材料鋁箔膜為輻射器，並去除部分鋁箔膜設計成縫隙天線構造，利用鋁箔膜切分線在打開煙盒包裝時同時完成對RFID標籤的物理性破壞。在煙盒包裝的識別環境中，為了消除煙盒包裝識別的煙盒標籤方向性，標籤採用通過供電閉環式和開放結構的寄生輻射構造體，以煙盒中現有包裝材料鋁箔膜為輻射器，並去除部分鋁箔膜設計成兩個縫隙天線構造，通過閉環式的供電迴路和一定間距的開放寄生迴路的結合，進行複數阻抗匹配。利用鋁箔膜切分線在打開煙盒包裝時同時完成對RFID標籤的物理性破壞。本實用新型是通過以下技術方案實現的，由上述菸草標籤的設計方法獲得的菸草標籤，其結構包括傳導性鋁箔膜作為輻射器、IC晶片，其特徵在於，以煙盒中現有包裝材料鋁箔膜為該輻射器，並去除部分鋁箔膜形成縫隙天線構造，所述IC晶片置於煙盒鋁箔膜現有切分線內側部分的縫隙天線上。縫隙天線的物理有效長度是UHF頻段RFID中心頻率時的半波長λ/2長度。在香菸盒包裝材質鋁箔膜上附設有兩個縫隙天線的結構，包括供電環和寄生斷路環，兩者之間保持一定間距。在香菸盒拆撕線內側貼有RFID晶片，所述供電環與RFID晶片形成閉環，其作用是為匹配進行供電。所述寄生斷路環執行輻射作用，寄生斷路環終端具有開放結構，提供可以控制RFID標籤進行阻抗匹配和輻射的電路。將RFID標籤在識別方向特性方面設計成接近等方向，對香菸盒RFID標籤識別率大有提高。所述去除部分鋁箔膜設計成的縫隙天線，其設置位置限於煙盒包裝材料鋁箔膜六面體中前一平面內或者跨越煙盒相鄰兩至三個面，大大增加了設計自由度。所述縫隙天線其兩側設有終端殘枝，附著在兩側的終端殘枝[Stub]的長度便於實現標籤的微型化和易於電阻匹配功能。所述縫隙天線在切分線以內的有效長度在40mm到140mm範圍內以共振模式作，該附設在煙盒切分線內側的部分縫隙天線的有效長度，可擴展到全有效長度的1/4到1/2。以阻抗匹配為目的的終端殘枝，可位於煙盒經拆撕線的內側或外側，該拆撕線的有效長度，經拆撕線的內側及外側，可擴展到5mm到20mm範圍。在去除部分鋁箔的縫隙天線上接合RFID IC晶片，可選擇利用輔料進行物理連接的跨接[Strap]方式進行接合，將鋁箔膜出眾的黏附力特性發揮到極致，如此從根源上降低了 RFID晶片接合的費用成本。與現有技術相比，本實用新型無線射頻識別RFID標籤設計方法由於採用現有的包裝材質即鋁箔膜作為天線發射體，同時該特別設計的煙盒包裝識別RFID專用標籤可以兼容在現有菸草生產工藝流程中進行生產(該煙盒包裝識別RFID專用標籤與現有昂貴的菸草生產設備相融合)，在生產成本方面具有劃時代的節減成本特點，能實現在鋁箔包裝的香菸盒包裝識別中推廣應用無線射頻識別(RFID)標籤，實現菸草流通過程中特定功能。由於將導電性鋁箔膜天線設計成縫隙天線，不需要應用特定的匹配方式，僅通過變更IC晶片在縫隙天線上的位置以適應與不同阻抗IC晶片的匹配。IC晶片附著於煙盒拆撕線內側的位置，消費者在開封香菸盒時，由於槽型的RFID標籤有效長度(effective length)的自然變化，會導致標籤識別功能喪失，即煙盒包裝被撕開時就實現標籤被一次性的物理性破壞。本實用新型方法採用煙盒包裝的傳導性材質鋁箔膜為發射體的縫隙天線(slot antenna)，其優勢在於使用現有菸草生產工藝流程的包裝材質，可以減少菸草行業初期導入RFID的負擔，還可以儘可能少地對高昂的生產設備進行改造，是一種易於推廣使用的生產方法。而且該方法適應於與各種RFID晶片的匹配，其標籤天線槽型形狀都沒有變化，從而可以用非常簡單的方式進行複數阻抗匹配，大大提高了標籤設計的自由度和生產的便利性。本實用新型設計方法應用到煙盒包裝識別中，在成本費用和功能性方面為最合適的設計技法。本實用新型實現了在菸草行業的煙盒包裝識別中應用UHF帶寬RFID標籤，將現有煙盒包裝材料即傳導性鋁箔形成槽型發射體，可在菸草成本的控制上有效降低導入成本， 大幅減輕初期導入費用負擔，確保RFID標籤能夠順利導入菸草行業，創造這種契機正是本實用新型對本領域現有技術作出的偉大貢獻。

圖1為一般λ/4共振型殘枝(stub)中心的同軸電纜傳輸線路供電的構造圖。圖2為λ/4共振型的縫隙天線圖。圖3為中心供電的半波長(λ/2)型的縫隙天線圖。圖4為中心供電的半波長(λ/2)型的偶極天線圖。圖5表示傳統香菸製造工程的順序圖。圖6Α、圖6Β分別為在煙盒前部平面設置縫隙天線的斜視圖及其展開平面圖。圖7為在煙盒前部平面設置縫隙天線，槽孔中心供電位置變化示意圖。圖8Α、圖8Β為在煙盒前部平面設置縫隙天線，根據偏移位置Α，B，C，D變化，圖示輸入阻抗變化的結果圖。圖9Α、圖9Β、圖9C、圖9D為在煙盒六面體中的左/右/後部/下側等部分設置縫隙天線的示意圖。圖10Α、圖IOB分別為實施例3環繞煙盒前部設置的RFID天線的斜視圖及其展開平面圖。圖11是圖10Α、圖IOB標籤天線在Smith Chart中的阻抗軌跡。圖12是圖10A、圖IOB標籤天線在X-Z平面內的輻射示意圖。圖標記說明附圖中線條相交處出現的「X」無意義，由製圖軟體自動生成引起， 不解釋成說明書具有技術意義的原始公開內容。1:縫隙天線(slot antenna), 2: IC晶片， 3:鋁箔膜，4:鋁箔膜切分線(或稱「拆撕線」 )，5:終端殘枝[Stub]，6:摺疊線，10:閉環結構，20:用於阻抗匹配的寄生斷路環終端的開放結構。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型技術方案作進一步說明。本實用新型機制以縫隙天線的原理為基礎，是一種可應用在傳導性包裝材質鋁箔的煙盒包裝上的最佳設計技法。[0034]圖1所示為一般的λ /4共振型殘枝中心的同軸電纜傳輸線路供電構造。當鄰近的殘枝間距(w)比波長小時(w λ), λ/4共振型殘枝間呈逆轉位相的電流分布，這種電流在遠距離領域[Far-Field]形成互相削弱的輻射場[Radiation Field]。分布在殘枝終端[End Point]的電流會形成同位相[Same Phase]輻射，但短偶極振子[Short Dipole] 形態的輻射器構造還不是有效的輻射器。圖2所示為半波長(λ/2)縫隙天線(slot antenna)，是新近出現的一種可以從根源上克服上述輻射效率問題的天線構造。平面導體(metal plate)構造體上設置半波長 (λ/2)長度的槽孔，當槽寬比波長小時(w λ )，協助槽孔輻射的電流分布不僅在槽孔終端，更是分布在整體平面導體構造上，從而增加了有效輻射面積，有效提高了縫隙天線輻射效率。手動RFID系統的優點是，整體導體平面的電流分布集聚了標籤IC-chip的驅動電流， 增益的有效反射器[Reflector]具有在後方散射(Backscattering)過程中實現數據識別 [Identification]。圖3所示構造為RFID IC-chip阻抗匹配提供了一種方法論，導體平面半波長 (λ/2)槽孔中心的特性阻抗[Characteristic Impedance]成份500Ω，通過選擇與槽孔中心絕緣的供電位置，與各種RFID IC-chip進行有效的阻抗匹配。圖3水平面內的半波長(λ/2)縫隙天線(slot antenna)的輻射模式與圖4所示的半波長(λ/2)偶極子天線[Dipole Antenna]的輻射模式形成互補關係，縫隙天線的導體平面的電場[Electric Field]和磁場[Magnetic Field]交替[Interchange]，這種情況與垂直於導體平面的槽孔的電場[Electric Field]成份和磁場[Magnetic Field]切向分量[Tangential Component]不連續[Discontinuous]的情況不同。為了實現低費用引進RFID，與原有製造工程最類似地應用，必須儘可能小得修改原有製造工程的變化。要想縮小其工程變化，就有必要尋找在流通、物流包裝階段之前應用最小包裝單位RFID標籤的方法。圖5所示現有傳統的香菸製造工程順序。為了在最小包裝單位的香菸盒上應用RFID標籤，可在包裝菸捲兒的煙盒包裝階段或流通中防止水分變化為目的的玻璃紙包裝階段。實施例1在煙盒前部平面設置縫隙天線的斜視圖(6A)及平面圖(6B)。去除香菸盒前一面的鋁箔形成了 RFID標籤的輻射結構體，且貼有RFID IC晶片的上側部分設在拆開香菸時被拆部分的內側，因此，當拆開香菸時具備物理性破壞功能。附在香菸前一面的縫隙天線的直線距離是根據半波長的長度所設定的，且兩端的終端殘枝(stub)的長度，是為了小型化和便於阻抗匹配而設計的。如圖6A、圖6B所示，將共振長度符合菸草鋁箔包裝的幾何學式的鋁箔膜被部分去除後的縫隙天線RFID標籤，以煙盒中現有包裝材料鋁箔膜3為該輻射器，並去除部分鋁箔膜形成縫隙天線1構造，所述IC晶片2附著於煙盒鋁箔膜現有切分線4內側(即如圖6A、圖 6B所示切分線的上位)部分的縫隙天線上。所附設縫隙天線1的物理有效長度(effective length)是，UHF頻段RFID中心頻率時的半波長(λ/2)長度。所述縫隙天線1在切分線 4以內的有效長度在40mm到140mm範圍內都以共振模式(resonant mode)工作。該附設在煙盒切分線4內側的部分縫隙天線的有效長度，可擴展到全有效長度的1/4到1/2(即 λ /8^ λ/4)。所述以阻抗匹配為目的的終端殘枝5，可位於煙盒經拆撕線4的內側或外側。該拆撕線4 (stub)的有效長度，經拆撕線4的內側及外側，可擴展到5mm到20mm範圍，且根據接合在縫隙天線1內部的晶片2的位置，可應用成兩終端對稱或者非對稱等多種形式。圖7中，為了探究本研究所展示的槽型RFID標籤的電阻抗特性，把對應於槽型中心四個供電位置A，B，C，D的輸入阻抗變化，根據其實數部(real part)和虛數部 (imaginary part)，分別圖示在圖8A和圖8B中。標籤槽孔中心的偏移位置在四處變換時， 與商用RFID晶片Impinj Monza 2的45Ω和Alien Higgs 2的20Ω相比，阻抗的實數部變化幅度僅在極小的0-10Ω範圍值內。為了匹配最大電力傳輸為核心的複數阻抗，仔細觀察分析不同偏移位置的變化結果，可以發現復阻抗在全世界UHF頻段內具有80Ω到200Ω之間相對較寬的分布範圍。香菸盒前一面縫隙天線直線長度，根據香菸盒的長度，可在30mm 到80mm範圍內變化。使RFID IC晶片位於拆撕線4內側，縫隙天線直線長度可與終端殘枝(stub)長度一起成為匹配阻抗的設計變數。改變縫隙天線的偏移(off-set)位置，以匹配各種晶片阻抗的複數阻抗，可以看出實際Impinj Monza 2商用晶片和Alien Higgs 2商用晶片的最佳匹配位置分別為A 和C。這樣，在被固定的縫隙天線上，可以根據供電位置的變化任意選擇具有多阻抗特性的 RFID晶片使用，為企業提供了主動應對RFID IC晶片市場變化的根本解決方案。這種簡便的複數阻抗匹配方式，在煙盒包裝的六面體中任意形式附著的縫隙天線，應用範圍更為靈活寬泛，且引入縫隙天線終端殘枝附著法可以使阻抗匹配更為容易。實施例2如圖圖9A、圖9B、圖9C、圖9D所示，製造香菸時為了追求便利性和在煙盒包裝六面體附著多個槽孔的各種形式的設計方法。圖9A為設置在煙盒包裝前部和左側的槽孔的設計構造。兩終端殘枝(stub)有效長度，在拆撕線內側可擴展到λ/8到λ/4長度，且附著在拆撕線內側的RFID IC晶片位置， 可結合在最佳的阻抗匹配位置Α。該終端殘枝(stub)的有效長度，經拆撕線的內部左上側， 可擴展到5mm到20mm範圍。且根據結合在縫隙天線內部的晶片的位置，可應用成兩終端對稱/非對稱等多種形式。圖9B為根據鋁箔摺疊結構、設置在煙盒右側和後部的槽孔的設計構造。圖9C為設置在煙盒包裝的前部和後部的槽孔天線構造被切開線截開時得到其他面積，從而簡化生產工藝流程的方法。這種在香菸盒內部以2 3面的立體縫隙形式附設擴散了的設計圖案， 是一種可改善讀寫器和香菸盒包裝RFID標籤之間方向性問題的無方向性(isotropic)設計方案。圖9D為擴展到香菸盒前一面和底面的縫隙天線結構，被拆撕線4撕下來時，具有兩個不同的面積，是一種可給製造工程帶來便利性的方式。如上所述的設計自由度，在自動識別情況下，提高識別率、改善識別方向所定的一體識別率方面具有多形式的參考價值。實施例3圖10A、圖IOB表示的是在煙盒包裝的識別環境中，為消除RFID標籤的方向性而採用的共振環[Ring]結構設計方案。以煙盒中現有包裝材料鋁箔膜為輻射器，並去除部分鋁箔膜設計成兩個縫隙天線構造，具有與RFID IC晶片形成閉環[Closed Loop]的供電部分和可以控制RFID標籤進行阻抗匹配的輻射部分，利用鋁箔膜切分線在打開煙盒包裝時同時完成對RFID標籤的物理性破壞。此設計通過去除煙盒現有鋁箔膜塗抹區域，在香菸盒包裝材質鋁箔膜上附設有兩個縫隙天線的結構，即包括供電環和寄生斷路環，兩者之間保持一定間距。在香菸盒拆撕線4內側貼有RFID晶片2，所述供電環與RFID晶片2形成閉環10，其作用是為匹配進行供電。所述寄生斷路環執行輻射作用，寄生斷路環終端具有開放結構20，提供可以控制RFID 標籤進行阻抗匹配和輻射的電路。寄生輻射縫隙天線可位於拆撕線4的內側或外側。與供電環形成閉環的RFID晶片2附設在拆撕線4內側，是為了使其具備撕開即被損壞功能而設置其位置的。這種在香菸盒內部以2至3個面立體形式附設槽型的擴展設計圖案，具有可以改善讀寫器天線識別煙盒包裝RFID標籤的無方向(isotropic)特性的特徵。圖11中的標點1表示的是在860MHz頻段時的實數部27. 07Ω和虛數部93. 9Ω 的值，標點2和標點3各表示的是在910MHz和960MHz頻段時的63. 74+j 150. 3Ω和 203.8+」239.7Ω阻抗值。傳送最大功率的復阻抗值顯示出了正好能與商用RFID IC晶片的虛數值進行阻抗匹配，且根據變更槽孔終端殘枝位置和變更縫隙天線之間間距的設計變數，可應用成抗匹配為目的的變數。圖12中，空間輻射圖的正反向比(front-to-back ratio)特性具有1. 5dBi以內的值，因此可以確認，以香菸盒為基準的直角坐標系中，在X-Z平面內具有接近等方向性的特性，且可以確認識別每個香菸盒標籤時，具有良好的無方向性。雖然最大輻射方向在基準坐標系中指向180 方向，但在無源RFID系統中，這種特性對標籤的識別方向性不會起到太大的影響。本實施例，可在任意方向角度的識別環境中、在可識讀距離內弱化方向性的設計結構，為煙盒識別包裝環境提供最佳識別環境的設計方案。各個實施例中，在去除部分鋁箔膜的縫隙天線1上接合RFID IC晶片2，可以採用可與煙盒包裝材料鋁箔膜密切融合接觸的黏合劑的黏合連接方式。也可選擇利用輔料進行物理連接的跨接[Strap]方式進行接合，將鋁箔膜出眾的黏附力特性發揮到極致，如此從根源上降低了 RFID晶片接合的費用成本。在本實用新型中，使RFID的應用能夠實現在原先香菸製造階段的煙盒包裝階段段。因此，能夠提供考慮到初期RFID引進費用的低費用RFID標籤天線。在香菸產業領域中，與批發/零售價格相比，各種稅的比率為709Γ80%，佔非常大的比重。因此，在製造成本方面，每盒香菸RFID引進費用中，控制了標籤的初期引進費用，從根本上節省了製造成本。
權利要求1.一種適用於煙盒包裝識別的UHF帶寬RFID標籤，其特徵在於，其結構包括IC晶片和傳導性鋁箔膜，以煙盒中現有包裝材料鋁箔膜為該輻射器，並去除部分鋁箔膜形成縫隙天線構造，所述IC晶片置於煙盒鋁箔膜現有切分線內側部分的縫隙天線上，縫隙天線的物理有效長度是UHF頻段RFID中心頻率時的半波長λ /2長度。
2.如權利要求1所述的適用於煙盒包裝識別的UHF帶寬RFID標籤，其特徵在於，在香菸盒包裝材質鋁箔膜上附設有兩個縫隙天線的結構，包括供電環和寄生斷路環，兩者之間保持一定間距，在香菸盒拆撕線內側貼有RFID晶片，所述供電環與RFID晶片形成閉環， 所述寄生斷路環終端具有開放結構。
3.如權利要求1所述的適用於煙盒包裝識別的UHF帶寬RFID標籤，其特徵在於，所述去除部分鋁箔膜設計成的縫隙天線，其設置位置限於煙盒包裝材料鋁箔膜六面體中前一平面內或者跨越煙盒相鄰兩至三個面。
4.如權利要求1至3任一所述的適用於煙盒包裝識別的UHF帶寬RFID標籤，其特徵在於，所述縫隙天線其兩側設有終端殘枝。
5.如權利要求4所述的適用於煙盒包裝識別的UHF帶寬RFID標籤，其特徵在於，所述終端殘枝位於煙盒經拆撕線的內側或外側，經拆撕線的內側及外側，可擴展到5mm到20mm 範圍。
6.如權利要求1至3任一所述的適用於煙盒包裝識別的UHF帶寬RFID標籤，其特徵在於，所述縫隙天線在切分線以內的有效長度在40mm到140mm範圍內，該附設在煙盒切分線內側的部分縫隙天線的有效長度，可擴展到全有效長度的1/4到1/2。
7.如權利要求1至3任一所述的適用於煙盒包裝識別的UHF帶寬RFID標籤，其特徵在於，所述縫隙天線與RFID IC晶片之間採用跨接方式接合。
專利摘要本實用新型涉及一種適用於煙盒包裝識別的UHF帶寬RFID標籤，屬於無線射頻技術領域。以煙盒中現有包裝材料鋁箔膜為輻射器，並去除部分鋁箔膜設計成縫隙天線構造，利用鋁箔膜切分線在打開煙盒包裝時同時完成對RFID標籤的物理性破壞。由於利用了香菸盒現有的包裝材料，該設計方法尤其適用於現有菸草業香菸製造工程，大大降低了成本，得以實現RFID標籤在菸草業的推廣。
文檔編號H01Q9/04GK202102468SQ20112006357
公開日2012年1月4日 申請日期2011年3月11日 優先權日2011年3月11日
發明者王強, 金南慶 申請人:江蘇中科方盛信息科技有限公司