一种无人商超场景下的防转移电子标签天线设计

超高频RFID射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，它利用电磁波来实现目标对象的识别并可进行双向通信。相比于传统的条码识别技术，RFID技术的优势有：信息容量大并可反复改写，可实现真正意义上的“一物一码”；可同时远距离识别多个目标；抗污损能力强；外形多样化等。

随着新零售时代到来，以无人商超、智能货架为代表的线下零售新模式正如火如荼，其中以采用RFID技术为主流技术。RFID标签与商品可实现一物一码绑定，当商品通过结算通道时，系统识别到商品上的电子标签，自动跟事先绑定的顾客账户进行结算，从而实现了商品零售的无人化。

但是，也正是由于无人化，不可避免地存在一些不诚信行为。如恶意撕掉商品上的电子标签，将标签留在货架内，而带走物品。此时，系统是无法辨别的。如果大量此类恶意逃单的行为发生，将导致严重的货损。

因此，研究出一种可应用于无人超市、智能货架等线下零售场景的防转移电子标签方案具有重大的应用价值。

1　RFID电子标签的基本组成

Inlay型电子标签是最简单的超高频电子标签形式，也是电子标签的基本构成单元。它包括PET薄膜基材、铝天线、电子标签芯片。天线通过铝蚀刻工艺在PET基材上生成，电子标签芯片与天线之间通过导电胶进行电连接，导电胶遇热之后不会再软化。图1为Inlay的组成及简化工艺的示意图。

图1　Inlay的组成及简化工艺

上述Inlay型电子标签也称为干Inlay，而湿Inlay是对于带胶的Inlay型电子标签的一种形象的表述。湿Inlay的构造如图2所示，其基本构造是在干Inlay的基础上增加了双面胶膜和底纸，通常Inlay上有芯片的一面是朝向胶膜和底纸的。

图2　湿Inlay构造示意图

干Inlay和湿Inlay是标签的重要组成部分。标签在RFID应用中表示带有面纸的柔性可粘贴标签，其基本构造如图3所示，其构造与湿Inlay相比，只是在其表面增加了一层面纸，面纸本身带有双面胶膜。

图3　标签构造示意图

2　无人商超场景下的标签需求

在无人商超场景下，售卖的商品包括易拉罐装酒水、塑料瓶酒水、铝箔包装食品、纸质包装食品等，对电子标签天线设计提出了严峻的挑战。尤其是金属和铝箔食品包材的存在，使得标签不能采用完全贴合的方式粘贴在商品上，否则将引起芯片短路，标签无法使用。因此，一种部分贴合的标签安装方式更适用于该场景，通过合理的设计天线，可以满足在多种商品上都能保持一定的识别性能。图4为部分贴合的安装方式，标签天线的一部分贴在物品上，另一部分裸露在外，其中标签芯片必须确保不接触商品，以免严重恶化性能。

图4　部分贴合的标签安装方式

但是，这种安装方式天生存在不足，不论采用黏性多强的胶水，标签都比较容易被撕下来，从而系统误认为商品仍在位，引起货损。为解决该问题，应确保被撕下来的标签无法正常工作。

3　当前防转移标签方案简介

目前业界已有一些防转移标签方案，应用在酒类防伪、珠宝零售、保密文件管理等场景。例如，鄢黎提出了几种基于材料和工艺改进的防转移标签方案，代表了目前的主要思路，但存在一些不足，不适用于本文所述场景。

（1）花刀工艺。由于PET膜和铝天线均不易碎，实际防转移效果差，且花刀切割影响面纸的美观。

（2）单层易碎纸结构。成本增加很多，无法满足新零售低成本的要求，且生产效率很低。

（3）易碎纸+易碎膜的双层结构。成本增加很多，撕毁效果不可控，无法提供稳定的防转移效果。

还有一些防转移标签方案，如采用强力不可转移胶水，使得标签无法被撕下来。但是这种方案适用于标签完全贴合的情况。另外，珠宝零售行业采用NXP公司的G2iL+或G2iM+芯片设计的标签，该芯片提供了额外的两个引脚，可用于构造检测回路，当回路被破坏时会体现在EPC编码上。但是该芯片成本过高，无法应用于本文所述场景。

4　防转移设计

本文采用了一种新颖的防转移设计方案，单纯利用天线来实现，而不改变传统标签材料和工艺，使得标签成本、生产工艺和效率保持不变。

4.1　标签天线设计原理

在RFID系统中，最重要的性能参数是识别距离，识别距离可以通过弗里斯（Friis）自由空间公式来计算。

（1）

其中，λ为波长，为阅读器的发射功率，为发射天线的增益，为标签天线的增益，为标签芯片的开启功率，τ为功率传输系数。

（2）

式中，为芯片阻抗，为天线阻抗。

从上述公式可以看出，识别距离取决于读写器的有效全向辐射功率，标签天线增益和功率传输系数等。其中，功率传输系数主要由芯片和标签天线之间的阻抗匹配决定。在RFID的应用中，芯片的输入阻抗通常不再是50Ω或75Ω，可能是任意值。为了传输最大功率，标签天线的输入阻抗与芯片的阻抗必须是共轭的。

4.2　寄生单元加载的标签天线设计

本文设计的天线几何结构如图5所示。其中右边部分为异形天线，由一个不规则电小环和非对称偶极子天线和阻抗调节臂组成；左边为微带贴片寄生单元，二者无电连接。

图5　天线几何结构图

天线的关键尺寸参数如图5所示。a和b是不规则电小环天线的宽度，c为天线的总长度，d和g为非对称偶极子的单臂长，e为阻抗调节臂长，f为阻抗调节的末端加载宽度，j为非对称偶极子天线的线宽，h和i为微带贴片的长度和宽度，k为微带贴片和异形天线的间距。经过调整这几个尺寸，可以使得阻抗实部和虚部在一定范围内变化，并调节天线的谐振频率。

在HFSS软件中仿真，在902～928MHz频率内工作，优化后的天线尺寸见表1。

表1　天线几何参数（单位：mm）

在无人商超场景中，易拉罐和带铝箔的食品包材都对标签性能有重大影响。以金属易拉罐模型为例，采用部分贴合方式安装，仿真的天线阻抗如图6所示，在902～928MHz范围内，阻抗实部在4.3～7.9Ω之间，虚部在107.8～128.9Ω之间，由于所采用芯片的阻抗为11.8-j118.6，仿真结果表明天线具有良好的阻抗共轭匹配特性。

图6　天线阻抗

天线的回波损耗如图7所示，在902～928MHz范围内，回波损耗都在-20以下。

图7　天线的回波损耗

天线的功率传输系数如图8所示，在902～928MHz范围内，达到0.5～0.89。

图8　天线的功率传输系数

仿真结果表明，该天线采用部分贴合方式安装在金属易拉罐时，依然能保持良好的性能。

而单独对右侧的异形天线仿真，阻抗实部为1Ω左右，虚部则超过300Ω，阻抗失配严重，几乎无法正常工作。

图9　异形天线的阻抗

4.3　实验结果

将打样回来的标签从间距k处剪开，左边的微带贴片寄生单元和右边的异形非对称偶极子天线成为两个独立的标签。在采用部分贴合方式安装时，将左边的微带贴片标签完全贴到商品如易拉罐上，右边的异形非对称偶极子天线只贴一部分在商品上，另一部分包括芯片和大部分小环露出。二者天线的间距k，可通过不干胶面纸对位来保证，且尽量对齐。

经实测，当采用30dBm、3dB圆极化天线的RFID读写器对标签进行盘存时，有效距离在4m以上，满足无人商超场景对金属易拉罐的识别要求。

当试图揭起标签时，由于两个标签是分离的，只可能撕掉异形天线的标签，另一个微带贴片标签由于完全贴附在商品上，难以揭起。而单独的异形非对称偶极子天线阻抗失配严重，导致回波损耗和功率传输系数严重恶化，无法提供有效的辐射能力。实测撕下来后识别距离只有3cm左右，几乎无法正常使用。

5　结语

本文提出了一种基于寄生单元加载的防转移标签设计方案，在无人商超场景下，可满足金属易拉罐、带铝箔食品包材等金属环境的使用要求，实测在采用部分贴合方式安装时，具有较远的识别距离。由于采用双天线寄生耦合设计，针对性地对容易撕下的部分标签天线进行了设计，使其无法单独工作，从而达到了防转移的目的。

在RFID系统中，标签天线的设计是一项艰巨的任务。随着RFID的应用越来越广，不但要考虑天线的阻抗、带宽、增益、工艺等，也要权衡性能和成本，并满足应用场景的特殊要求。本文为防转移标签的设计提供了一种新的思路。

参考文献

[1]邓小莺，汪勇，何业军．无源RFID电子标签天线理论与工程[M]．北京：清华大学出版社，2016.

[2]鄢黎．RFID电子标签材料结构与防转移性能研究[J]．制造业自动化，2015，37（3）.

[3]NXP Semiconductors，“SL3S1203_1213，”UCODE G2iL and G2iL+ Product data sheet，2014．

（作者供职于锐捷网络股份有限公司，中级职称）