产品和包装材料对RFID的影响分析

2023-06-21 理论教育版权反馈

【摘要】：RFID 可读与否，是物理性能、频率、所处环境、产品和包装材料等各种因素相互作用的结果。材料对RFID 可读性的影响主要有以下几点：透波性、反射率、吸收率、干扰以及失谐。所以，RFID 系统的性能和稳定性可能受到影响。通过测量射频信号在射频信号路径上的功耗与含水量的关系，可以了解产品中的水分对RFID 性能和稳定性的影响。不同的频率对RFID 操作有着不同的优点和缺点。所有无源RFID 设备的磁场衰减限制了其阅读范围。

对于RFID 是否可被读取，产品材料和包装材料都起着主要的作用。RFID 可读与否，是物理性能、频率、所处环境、产品和包装材料等各种因素相互作用的结果。其中，物理性能起着关键作用。

材料对RFID 可读性的影响主要有以下几点：透波性、反射率、吸收率、干扰以及失谐。

①透波性是指材料允许射频波方便地通过的能力。射频波越容易通过材料，则材料的透波性就越好。低水分的材料如纸或塑料对射频波没有干扰，透波性能最好。但是，如果纸张中含水量增加或塑料与金属箔复合的话，这些材料的透波性能会大大下降。

②射频波的反射类似于把激光照到镜面上。镜面会“反射”能量束，从而保持其能量到达并激活预定的发射机应答器。如果发生反射，反射能量可以激活外部的应答器，从而读取标签的数据。这种现象在标签密集型环境中很常见，用于屏蔽、验证预期标签的读取，进行准确的数据管理。

③当信号接触到材料或介质，强度减弱时，会发生射频信号被吸收的情况。水是最典型的例子，虽然其他材料也会吸收信号，特别是石墨或咸的食物。传输的射频信号减弱意味着没有足够的能量来激活应答器（特别是无源标签），或者应答器响应信号太弱而不能被应答器处理。射频信号的吸收越大（由于材料），材料的透波性就越差。

④干扰是由于经常发生的或瞬变的电磁（EM）发射导致射频信号的传输中断所引起的。这种干扰发射可能来自附近的电磁源，如电弧焊接机或电机。在某些情况下，“附近”一词可能意味着距离很远，这取决于电磁源。众所周知，发电站和大型卫星天线会影响附近供应链仓库中的RFID 系统。

⑤失谐最常发生在多个接收器密集排列在一起的时候。从一个接收器到另一个接收器的电容耦合导致天线失谐并使标签失效。

1．材料分类

包装材料（和所有基材）应被视为一种电阻介质。材料的这种电阻性质可被视为功率损耗和产生“噪声”的源头。以这种方式就更容易理解材料的影响。

介质的介电常数是描述电场如何影响和受介质影响的一个物理量。在电磁学中，可以定义一个电位移场D，它代表了一个外加电场E 如何影响介质中电荷的组织，包括电荷迁移和电偶极重新取向。

材料可以按其介电常数和电导率进行分类。损耗大的材料会抑制电磁波的传播。在这种情况下，这种材料将被认为是良导体。具有负实部的介电常数的材料被认为是金属，不会传播电磁波。具有正实部的是电介质。电介质一般都是没有损耗或低损耗的材料。完美的电介质是没有导电性的材料，因此只表现出位移电流。因此，这样的材料可以储存和返回电能，就像是一个理想的电容器一样。

为了反映有效电场的减少量，引入介电常数。假设为单位面积上的电荷数量；为介电常数，即空间的介电常数；为电容的增加。这些变量与等式有关，如：

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介电常数的影响减小了两个电荷之间产生的力。在介质中传播时波的速度降低，好比是波长减小了一样。介电常数是反映一种物质集中于静电线通量的程度。更具体地说，是当施加一个电场时一个绝缘体中能储存电能量的比例（相对于真空），即电介质在电场中储存静电能的相对能力。介电常数ε 等于真空介电常数 0ε 和相对介电常数 rε 的乘积。介电常数的数值随温度及电场变化的频率而改变。介电常数越小，材料的绝缘性越好。表5-3是常见材料的介电常数。

表5-3　常见材料的介电常数

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虽然功率大的RFID 系统在各种不同的环境和条件下都可以很好地工作，但是低功率和短距离的RFID 信号很容易受到周围的电子器件、介电材料、金属物体，甚至人体的干扰、吸收和（或）反射。所以，RFID 系统的性能和稳定性可能受到影响。在实际环境中，RFID 询问器（阅读器）通过天线发送RFID 信号穿透多个媒体，如木（托盘）、纸板（箱）及各种包装材料和产品本身。此外，RFID 应答器（标签）沿同一路径回射调制的射频（RF）信号给询问器。

在电磁场的作用下，各种材料由于含水量（0%～100%）的不同或者水中含盐时，会表现出不同的介电性能。为了区分产品中含水量的影响，应该进行相关测试。通过测量射频信号在射频信号路径上的功耗与含水量的关系，可以了解产品中的水分对RFID 性能和稳定性的影响。通过测量同一样品的介电性能，还可以分析介电性能对RFID 性能和稳定性的影响。

2．影响RFID 读取效果的原因分析

RFID 系统一般在低频（125kHz）到超高频（5.8GHz）区间的多个频段内工作。不同的频率对RFID 操作有着不同的优点和缺点。高频具有更大的读取范围，而低频则较少受到水分和人体的干扰，但读取范围较小和数据传输速率较慢。无线电频率是由国家统一分配和管理的。如UHF 频率范围内的特定频率，可以在不同的区域使用不同的频率。工作在超高频（860～960 MHz）的RFID 系统更常见（见表5-4）。一般RFID 频率分配如下：

表5-4　近场和远场区

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· LF 125～134 kHz；

· HF13.56 MHz；

· UHF 860～960 MHz；

· UHF 2.45 GHz （S 波段）；

· SHF 5.8 GHz （C 波段）。

近场和远场。在LF 和HF 频段，RFID 系统主要是基于互感耦合，由环形天线线圈产生的磁场随空间距离的增加而迅速下降（），如图5-7所示。图中r 是信号的路径距离。所有无源RFID 设备的磁场衰减限制了其阅读范围。

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图5-7　近场磁场强度与距离的衰减关系

在UHF 波段，RFID 应答器和阅读器可以在近场和远场进行通信，阅读范围更广、数据传输速率更快。近场是指靠近辐射源的区域，其中电场和磁场并不呈现完全的平面波特性，但是从点到点变化很大。近场进一步分为活性近场区域，这是离辐射源最近的区域和容纳了大多数或几乎所有储存的能量，辐射在近场辐射区域占主导地位，但缺乏实质性的平面波特性。在近场中，电场（E）和磁场（H）是相对静止的，没有传播。根据麦克斯韦电磁场理论：变化的磁场可以激发电场，变化的电场又可以激发磁场；电场和磁场不是彼此孤立的，它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场。

发生分离的临界点称为远场。远场主要是呈现平面波特性。电场强度和磁场强度分别在两个横向平面上，如图5-8所示。

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图5-8　电场、电磁及其传播方向

在远场中，射频信号传播的功率随着距离的平方反比衰减：

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式中 S——距离信号源r 处的信号强度；

Pt——传递功率。

RFID 应答器距离询问器越远，询问器可接收到的射频功率越小。如果距离小于波长的1/20，可看作近场。如果距离大于5 个波长，则可看作远场（见表5-4）。因此，对于UHF，转发器既能在远场工作，又能在远场和近场之间工作。

RFID 的识别范围是指RFID 阅读器和应答器之间可以互相通信交流的最大距离。识别范围是RFID 系统的一个重要指标。与完全用接收到的RF 能量驱动的无源RFID 转发器相比，有源RFID 转发器具有更大的识别范围。实际的识别范围大小要取决于频率、天线的设计和有效全向辐射功率（EIRP）。

在识别范围内，RFID 应答器接收到足够的射频能量并向集成电路供电，然后将调制信号反向散射到阅读器。低频和高频RFID 系统是基于电感耦合（如TI-RFID），也就是交变磁场的耦合，工作频率为13.56MHz。这种RFID 系统的识别范围一般在几厘米到几十厘米不等。超高频（如915MHz）的RFID 系统基于电磁反向散射耦合，其识别范围超过几米甚至几十米。与前向近程系统相比，这种系统被称为长距离系统。

有两种提高识别范围的方法：一种是增加发射功率；另一种是减小转发器所需工作功率的最小阈值或提高功率转换效率。识别范围可以使用Friis 自由空间公式计算（注意这里假设识别范围是在自由空间）：

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式中 λ——波长；

Pt——阅读器发射的功率；

Gt——发射天线增益；

Gr——标签天线增益；

Pth——激活标签的最小阈值功率；

——标签在共振频率下的功率反射系数；

PtGt——有效全向辐射功率（EIRP）。

功率或电流增益可以表示为分贝（dB）值。分贝的定义为：“两个同类功率量或可与功率类比的量之比值的常用对数乘以10。”

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对于无源RFID 系统，与从阅读器辐射的功率比较，标签反射的功率可以忽略不计。因此，阅读器可能无法从标签中提取耦合响应。在RFID 系统中调制低频子载波可以避免这种情况的发生。对于载波频率为13.56 MHz 的RFID 系统，副载波频率可以采用847kHz（1/16）、424kHz（1/32）或212kHz（1/64）。这取决于应用程序所需的数据传输速率和系统的标准。

（1）电磁性能

介电物质的介电常数（ε）：描述了任何电场受电介质影响的数量特性，它表现出物质对外加电场的极化能力。与电导率（σ）相比，它与隔离电荷（而不是电流）相关。当电压被施加到电介质物质上时，如果没有自由电荷载体（如电子和离子）等，该物质趋向于通过电流；电压源为移动电荷提供了能量。电荷位移受物质中分子极性的限制。

介电常数是一个复数，与频率有关的量，其实部和虚部分别表示为：

实部Re（ε）表示能量的传播特性。虚部Im（ε）称为损耗因子，是由于极化或分子在物质中的能量损失。虚部的符号依赖于数字符号的转换。自由空间（真空）的介电常数 0ε 为8.85×10-12F/m。相对介电常数（rε），表征介质材料的介电性质或极化性质的物理参数，在频率范围内与频率有关，无量纲（图5-9）。自由空间的相对介电常数被定义为1，空气的相对介电常数约为1.0005，水的相对介电常数约为80。物质的介电常数越高，在相同的外加电场下储存的电荷越大。因此，该物质具有更高的电容。对于大多数材料来说，介电常数取决于材料的温度、频率、原子结构和盐浓度。

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图5-9　复介电常数和损耗正切

（2）介电吸收

在交变电场作用下，介电物质的介电性质随频率的变化而变化。介电吸收和介电耗散伴随而生，是一种现象的两个方面。介电吸收表示电磁能转化为热能。介电吸收有几种机制：与永久分子和诱导分子偶极子有关的弛豫效应，以及原子、离子或电子的旋转或振动中发生的共振效应。介电弛豫发生在具有可忽略的或低导电性的绝缘材料中。极化弛豫现象发生在高介电常数物质中。能量的吸收导致能量耗散。偶极子松弛的机制称为介电弛豫，理想偶极子没有阻尼，采用经典的德拜弛豫方程描述。在外加的电磁场中，极性分子结构和电离分子利用能量损耗改变极性分子的磁矩。在介质中射频吸收的特性代表了电磁特性。介电常数和损耗因子通常代表材料的电磁特性。在自由空间中射频波按照直线传播。这些波在传播路径中被电介质物质反射、透射或吸收。包装内的产品（如含有水分的食物或药物）吸收射频能量并转化为热能。微波炉就是应用这个原理的典型例子。

（3）水活性

食品和药品材料中含有水分。作为极性分子，水在外加电场的作用下部分对齐，但是，水中有力阻止分子自由运动。因此，抵消这种阻力的能量被转移到离子，然后转移到邻近的原子或分子。食品或任何含有这种带电离子的物质都能与任何电场相互作用。水分会吸收射频能量并将其转化为热能。

水分是决定食品品质、货架稳定性和组织结构的一个重要因素。生产中的天然水分为食品保证了新鲜和品质。脆饼干或软饼干是由饼干中的水分及其分布决定的。为了保持食品中特殊的质地和风味，需要限制食品中的水分含量和分布。水分含量是决定食品品质的关键因素。为了延长货架期，调整水分含量是一种常见的方法。升华或蒸发常被用来作为去除液态水以提高产品的稳定性的方法。

（4）水分存在的形式

食物中的水分子以不同的形式存在，这取决于分子周围的环境，通常有以下不同的理化性质。

①自由水。这种形式的水只被其他水分子包裹着。理化性质与纯净水一样。

②毛细水或困水。这种形式的水由物理屏障包裹着，或者被堵塞在微小的通道内。理化性质与自由水相同。

③结合水。这种形式的水部分地被其他食物成分所包围，与自由水相比，在理化性质上有显著的差异。

由于食品中存在着不同的键合，从化学的观点来看，它们被认为是异构混合物，尽管食品材料的宏观结构可能是同构的。

（5）介电性能

食物中水的状态取决于水分子和与氢键有关的玻璃状固体之间的相互作用程度。研究发现：对于水化水平高于水化限制情况，在1 GHz 频率时高迁移率水分子的比例会增加。因此，会有更多的水分子可以相对自由地对施加电场做出响应，并由于水合诱导的构象变化表现出接近气态水分子的偶极矩。介电常数的增加与食品中的水浓度的增加成正比。

材料中的含水量对其电磁性能有很大影响。水在室温下具有很高的介电常数（表5-5）。干燥材料的介电常数通常小于10。因此，物质中含水量百分比反映了介电性能。高含水量百分比通常表示物质损耗因子的比例增加和高的介电常数。混合物质的介电常数一般是位于各组成部分的介电常数之间。介质损耗具有复杂的作用机制。例如，当物质的含水率增加时介质损耗可能会提高20%～30 %，然后迅速下降。

表5-5　食品和其他包装材料在2.45 GHz 和68 ℉的介电性能

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（6）材料组合

对于一个给定的产品/包装系统来说，虽然材料结构可能代表最佳的物理结构，但材料结构中每个单独的材料/层可能会提供最差的RFID 友好性能。

产品和包装材料对RFID的影响分析

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