行李箱材质对行李RFID识别效果影响的研究

摘 要：机场行李分拣系统使用RFID技术进行行李识别时，常遇到RFID行李标签贴紧行李箱表面时识别率降低的情况。针对该问题，研究了RFID行李标签天线和行李箱材质，在MATLAB软件中建立RFID行李标签天线紧贴在与行李箱材质相当的介质表面的模型，并进行仿真。仿真结果表明，介质材料的存在会使RFID行李标签天线的性能发生变化。当RFID行李标签紧贴在行李箱表面时，行李箱材质会影响RFID识别设备的识别效果。

关键词：RFID行李标签天线；介质常数；MATLAB；识别效果；行李处理系统；RFID识别设备；频段

中图分类号：TP39；TN817 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）05-00-04

0 引 言

国际航空运输协会（International Air Transport Association， IATA）发布的标准RP1740C中推荐将无线射频识别（Radio Frequency Identification， RFID）技术作为行李识别技术，还发布了753号决议，要求全球部署RFID行李跟踪技术。由此，RFID越来越多地在托运行李分拣、全程跟踪等场景中得到应用。RP1740C及753号决议推荐使用超高频（Ultra High Frequency， UHF）频段的无源标签作为RFID行李标签，用于分拣和跟踪识别[1-2]。

行李RFID识别过程如下：部署在行李处理系统中的固定式或移动式RFID识别设备发射调制电磁波，RFID行李标签天线感应电磁波并转换为电能，激活RFID行李标签芯片，芯片解调电磁波所携带数据，根据协议将存储在芯片内的行李码通过反向调制方式发送至RFID识别设备，RFID识别设备解调后得到行李码，发送至行李处理系统用于分拣或跟踪。

相对于一维条形码，RFID具有更高的识别率。根据统计数据，使用RFID技术识别行李后，行李系统的识别率从90%左右提升到99%以上，极大地降低了行李识别差错率[3]。

RFID行李标签未能被识别的原因包括标签被卷曲折叠导致标签天线无法有效感应电磁波、标签被压在金属板上而无法感应电磁波等。在针对RFID行李标签未识别情况进行分析时，可观察到当标签紧贴在行李箱表面时，即便没有卷曲折叠或者压在金属上，也容易出现未识别的情况。

本文将针对上述情况，通过研究RFID行李标签天线结构、行李箱材料介电常数，使用MATLAB软件仿真不同介电常数下RFID行李标签天线的性能变化，分析行李箱材质对行李RFID识别效果的影响。

1 RFID行李标签天线

UHF无源RFID行李标签依赖天线感应收集电磁波能量来完成激活、应答。如果RFID行李标签天线不能感应RFID识别设备发射的电磁波或者感应效率低，RFID识别设备难以成功识别出RFID行李标签。

1.1 RFID标签天线类型

根据天线感应耦合电磁波方式、加工方式等不同，RFID标签天线可以分为三大类，分别是线圈型、偶极子以及缝隙型。线圈型天线是在平面将金属导线盘绕在磁芯上，以磁耦合为主要感应方式，主要用于低频（LF）及高频（HF）RFID识别。偶极子天线是由两段等长等宽导线排成一条直线构成，激励信号从中间馈入，以电磁感应为主要感应方式，用于UHF RFID识别。缝隙型天线是在导体面上开缝形成的天线，通过跨接在窄边上的传输线馈电，同样也主要用于UHF的RFID识别[4]。

在RFID技术发展过程中，有四款RFID标签天线设计较为经典。当前多数RFID标签天线设计普遍学习和参考了这四款标签天线的设计[5]。

1.1.1 ALN-9640天线

ALN-9640天线尺寸为94.8 mm×8.1 mm。该标签天线设计特点包括：两端加宽，增加辐射电阻；使用折叠线结构使得长度为9.48 cm的标签可以达到17 cm的电长度；天线两臂非对称结构使得阻抗在不同频率变化平缓，从而增加标签的带宽。

此类天线的标签最适合应用于箱标，支持批量箱子堆叠的识别。

1.1.2 ALN-9654天线

ALN-9654天线尺寸为93 mm×19 mm。这款天线设计特点包括：使用大面积金属，等效反射截面大，反向散射能量强，使得复杂环境下亦可识别该标签；采用缝隙耦合方式，受外部介电常数影响小，环境适应能力强；天线两臂采用非对称结构使得阻抗在不同频率变化平缓，增加标签的带宽。

这种天线的标签适合贴在有不同介电常数的物体上，常用于玻璃风挡标签。但因标签面积大，会遮挡住后面RFID标签的电磁场，不适合在需要批量识别的场景下应用。

1.1.3 ALN-9613天线

ALN-9613天线尺寸为12 mm×9 mm。该标签天线的特点是结构为闭合的环形，尺寸小，只能近距离工作。

此类型天线的标签通常制作成易碎标签用于防伪。

1.1.4 H47天线

H47天线尺寸为44 mm×44 mm。该标签天线的特点是在一个正方形或圆形的区域内，设计了两个相互垂直的偶极子天线，实现全向辐射。

此类型天线的标签可用范围较广，包括服装、零售、物流、资产管理等。尤其在RFID标签位置不固定、识别设备的辐射极化方向不确定的场景使用时有较好的识别效果。

1.2 RFID标签天线的参数

RFID标签天线的参数有很多，其中谐振频率、阻抗、增益等对于RFID标签的性能影响较大。

1.2.1 谐振频率

工业和信息化部无线电管理局2023年1月4日发布的《900 MHz频段射频识别（RFID）设备无线电管理规定（征求意见稿）》，限制UHF频段RFID的工作频率范围为920～925 MHz[6]。RFID标签为无源器件，其天线的谐振频率需要同样保持在920～925 MHz中才能最大程度感应这个频段的电磁波。

天线的谐振频率与电长度相关。电长度是电线物理长度除以自由空间中波传输速度与电线中波传输速度之比。但电磁波在介质中传播时受到介质影响会改变电长度，其变化值与电磁波频率、介质材料的介电常数有关。如果RFID标签天线紧贴在介质材料上，其电长度可能会发生变化而影响谐振频率。

RFID标签天线在设计制造时已经确定在某一频率调谐，并在此谐振频率为中心的一段频带上也可正常工作。其他天线参数（尤其是增益和阻抗）也相应地在调谐频率上与RFID芯片达到最佳匹配，在其他频率上则会失配。

1.2.2 阻抗

天线阻抗为天线端口的总电压与总电流之比，当天线阻抗和激励源或负载阻抗为共轭匹配时，可以达到最大的功率传输效率。根据传输线理论，开路天线的输入阻抗为Zin=Zccoth（γl），其中特性阻抗，传播常数，分别为衰减常数和相位常数，Rl、Gl、Ll和Cl为传输线的分布参数，代表单位长度上的电阻、电导、电感和电容。这些参数与天线几何形状、尺寸以及介质材料的介电常数等相关。

对于RFID标签来说，标签天线的阻抗和RFID芯片的阻抗达到了共轭匹配的状态。如果天线紧贴到介质材料上，介质材料的介电常数可能会影响天线的阻抗，进而影响功率传输效率。

1.2.3 增益

天线增益是指在最大辐射方向上，有向天线的辐射强度与具有相同输入功率的无耗各向同性天线的辐射强度之比，通常以dBi表示。天线增益主要受天线几何形状、阵子分布、基材介电常数等因素影响。

RFID标签天线并不追求过高天线增益，理想的增益为0 dBi，表示各向辐射效果相同，以便在实际使用时可以不用考虑标签的方向而获得最佳的识别效果。

如果RFID标签天线紧贴到介质材料上，介质材料可能会改变天线的增益和方向，使得在某些角度下难以获取足够的电磁波能量。

1.3 行李RFID标签天线

RFID行李标签由面层、底层以及INLAY层组成。面层为热敏铜版纸加上防水的PVC，可通过打印机印刷行李信息字符和一维条形码。底层为涤纶绸带/尼龙胶带加上防水的PVC，底层可在出厂时打印好固定的文字内容。INLAY层包含了RFID芯片以及RFID标签天线，RFID芯片通过各向异性导电胶和RFID标签天线连接在一起。面层、INLAY层以及底层之间用胶水粘合成RFID行李标签[7]。

RFID行李标签的使用特点是可能附着在托运行李的把手或表面，通过RFID识别设备时位置的随机性较强。因此，多数RFID行李标签都使用偶极子天线类型，参考ALN-9640或H47天线的设计思路进行设计。

2 行李箱

2.1 不同的行李箱材质

市面上常见行李箱可以分为硬壳行李箱和软壳行李箱两大类。硬壳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）、铝镁合金等加工制作。软壳行李箱主要采用聚乙烯（PE）、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、尼龙牛津布等加工制作。

硬壳行李箱有着较好的耐磨性、抗压性、抗撞击性以及防水性能，能保护箱体内的物品。软壳行李箱材质柔软，质地较轻，有不错的韧性，可以提供弹性使用空间。但是在防水性、耐磨性上不如硬壳行李箱。因此在托运行李时，硬壳行李箱的使用比例更高。硬壳行李箱的表面平整结实，RFID行李标签容易紧贴在表面上。

2.2 不同材质介质常数

常见行李箱材质中，除了铝镁合金为金属导体，其他都是非导体材料。电磁波能够在非导体材料中传播，但在传播过程中会和分子产生耦合而产生损耗，各类材质有着不同的介质常数，对于电磁波的耦合能力不相同。

介质常数具有复数形式，实数部分为介电常数ε，虚数部分为损耗因子Df。损耗角θ是损耗因子Df与介电常数ε的比值，损耗角的正切值tanθ被用来表示材料和电磁波的耦合能力。

常见行李箱材质的介质常数见表1所列[8]。

2.3 行李处理系统对标签位置的影响

为了使行李在经过识别设备时一维条码或者RFID标签能够被顺利自动识别到，通常情况下，值机人员会将RFID行李标签穿过行李的把手后对折粘贴，并拉平整，如图1所示。托运行李进入行李处理系统后会经过多种输送设备，出现颠簸、转向、翻转等情况，RFID行李标签也可能会被紧压在行李表面，接触到行李箱材质，如图2所示。

3 行李箱材质对RFID行李标签天线的影响

在行李处理系统运行中会观察到，当RFID行李标签接触到行李箱表面时容易出现无法识别的情况。

为了分析行李箱材质对RFID行李标签天线的影响，将使用MATLAB软件建立RFID标签天线模型，将其附着在与行李箱材质相同介质常数的介质上，仿真计算附着前后的参数变化。

3.1 RFID标签天线模型

MATLAB的Antenna Toolbox提供了设计、分析单元天线和阵列天线并使其可视化的功能，可以使用具有参数化几何结构的预定义单元或任意平面单元设计独立的天线或创建阵列天线[9]。

Antenna Toolbox提供了design工具用于生成指定谐振频率的指定天线模型或天线阵列模型，该工具的参数包括antenna和frequency，其中antenna用于指定天线类型，frequency用于指定谐振频率[10]。

RFID行李标签天线多采用偶极子天线类型，因此将antenna设置为dipole，代表偶极子天线；将frequency设置为922e6，为920～925 MHz的中间频率922 MHz。

RFID_ant = design（dipole， 922e6）由此得到谐振频率为922 MHz的偶极子天线模型RFID_ant。

使用impedance及pattern函数绘制该天线模型的阻抗和方向图，如图3所示。从结果中可以看出最大增益为

2.1 dBi，922 MHz阻抗为（70+j0）Ω。

查看天线模型RFID_ant的参数RFID_ant.Length为15.28 cm，是922 MHz电磁波波长的一半，符合偶极子天线的定义。

使用show及sparameters、rfplot函数绘制该天线模型及S参数曲线，如图4所示，可以看出谐振频率为922 MHz。

3.2 附着介质后的RFID标签天线模型

MATLAB提供dielectric函数用于创建介质模型，从表1中选择ABS（工程塑料）作为介质来模拟行李箱，EpsilonR（）取值5.0，LossTangent（）取值0.026，Thickness（厚度）设置为0.5 cm。

创建和ABS相同介质常数的介质模型：t=dielectric（‘Name’，‘ABS’，‘EpsilonR’，5.0， ‘LossTangent’， 0.026， ‘Thickness’， 0.005）

reflector函数可以仿真多种天线模型有介质情况下的性能。将天线模型RFID_ant作为激励源Exciter，使用介质模型t作为Substrate参数，天线和介质距离Spacing设置为0。得到一个附着在ABS上的偶极子天线模型rf：

rf=reflector（‘Exciter’， RFID_ant， ‘Spacing’， 0， ‘Substrate’， t）使用show及sparameters、rfplot函数绘制该天线模型及S参数曲线，如图5所示，可以看出谐振频率偏移超过1 GHz。

使用impedance及pattern函数绘制天线模型rf的阻抗和方向图，如图6所示。附着介质的偶极子天线方向图和单独偶极子天线方向图相比变化较小，但是最大增益降低为1.8 dBi。阻抗的变化则非常明显，922 MHz阻抗变为（20-j430）Ω。

3.3 仿真结果分析

通过上述研究可以发现，当RFID行李标签紧贴在行李箱表面时，行李箱材质的介质常数会对RFID标签天线的性能产生较大的影响，主要体现在谐振频率发生偏移，导致920～925 MHz范围内的阻抗发生变化。在RFID芯片阻抗不变的情况下，RFID芯片与RFID标签天线会处于失配状态，功率传输效率将严重降低，无法有效感应920～925 MHz的电磁波。

如果此时RFID识别设备依然使用920～925 MHz电磁波进行识别，行李RFID识别便会出现不成功的情况。

4 结 语

在尝试解决RFID行李标签识别不成功问题时，改变RFID识别设备的输出频率后，可以发现对紧贴在行李箱表面的RFID行李标签的识别效果得到明显改善，与仿真分析结果相吻合。

受到频率监管法规的限制，正常使用RFID识别设备必须使用允许的频段范围，不能通过改变RFID识别设备的频段来解决RFID行李标签紧贴在行李箱表面导致无法识别的问题。最有效的解决方式是将行李箱材质对RFID标签天线的影响考虑进RFID标签天线的设计过程，通过天线两侧导线形状的优化、两端采用非对称结构等方法，拓宽天线的阻抗匹配带宽，缓解紧贴到介质材料后的频率偏移带来的阻抗失配程度，降低识别不成功的概率。

参考文献

[1] IATA. Radio Frequency Identification （RFID） specifications for Interline baggage：RP 1740c [S]. Washington，DC：[s.n.]，2014.

[2] IATA. Resolution 753-resolution：RFID baggage tracking set for global deployment [S]. Washington，DC：[s.n.]，2019.

[3]王峰.机场行李输送设备管理及节能改造[J].现代制造技术与装备，2021，57（8）：179-180.

[4] KAMALVAND P，PANDEY G K，MESHRAM M K. RFID tag antenna for ultra and super high frequency band applications [J]. International journal of RF and microwave computer‐aided engineering，2016，26（7）：640-650.

[5]甘泉. 物联网UHF RFID技术、产品及应用[M]. 北京：清华大学出版社，2021.

[6]工业和信息化部无线电管理局. 900MHz频段射频识别（RFID）设备无线电管理规定（征求意见稿）[EB/OL]. [2023-04-21]. https：//www.srrc.org.cn/kindeditor/attached/file/20230106/20230106142837_5578.pdf.

[7]侯文顺，杨宗伟. 高分子物理[M].北京：化学工业出版社，2007.

[8]范守元.基于各向异性导电胶封装的RFID标签可靠性研究[D]. 武汉：华中科技大学，2015.

[9]梅中磊，李月娥，马阿宁. MATLAB电磁场与微波技术仿真 [M] 北京：清华大学出版社，2020.

[10] The MathWorks，Inc. MATLAB documention ‘design Design prototype antenna or arrays for resonance at specified frequency’[EB/OL]. [2023-04-21]. https：//ww2.mathworks.cn/help/dsp/ref/design.html？s_tid=srchtitle_design_2.

作者简介：朱志宇（1979—），男，本科，工程师，研究方向为包括RFID在内的物联网技术。

收稿日期：2023-04-21 修回日期：2023-05-18