一种超高频抗金属RFID标签天线的封装优化方法与流程

本发明属于rfid标签天线封装，具体而言，涉及一种超高频抗金属rfid标签天线的封装优化方法。

背景技术：

1、射频识别（rfid）技术在物联网时代扮演着越来越重要的角色。超高频（uhf）rfid标签因其远距离读取能力和较低成本，在物流跟踪、资产管理和供应链优化等领域得到广泛应用。然而，当rfid标签附着在金属表面或需要在金属环境中工作时，其性能会受到严重影响。这是因为金属表面会导致电磁波反射、吸收和去调谐效应，从而降低标签的读取距离和可靠性。

2、为了解决这个问题，研究人员提出了多种抗金属rfid标签设计方案。常见的方法包括使用高介电常数材料作为隔离层、采用特殊的天线结构（如倒f型天线、平面倒f型天线等）、以及使用电磁带隙（ebg）结构等。另外的，也有现有技术在抗金属rfid标签在与金属接触的一侧，设置一层吸波材料（导磁膜），提供抗金属能力。这些方法在一定程度上改善了rfid标签在金属环境中的性能，但仍然存在一些局限性。

3、首先，现有的抗金属rfid标签设计通常需要较厚的隔离层或复杂的天线结构，这增加了标签的整体厚度和成本。其次，许多设计方案只能在特定频率或狭窄的带宽内工作，难以满足全球不同地区的uhfrfid频段要求。再者，现有的设计方法往往依赖于经验和反复试验，缺乏系统化和理论化的指导，导致设计过程耗时且效率低下。

4、此外，现有技术在标签封装方面也面临挑战。封装不仅需要保护标签免受环境影响，还会对天线性能产生显著影响。不恰当的封装设计可能导致天线性能下降，抵消了精心设计的天线结构带来的优势。然而，目前缺乏一种系统化的方法来优化rfid标签的封装设计，特别是在考虑金属环境影响的情况下。

5、因此，亟需一种能够综合考虑天线设计、金属环境影响和封装优化的系统方法，以提高超高频抗金属rfid标签的性能和适用性。这种方法应该能够在保证标签小型化和低成本的同时，实现优异的读取距离、宽带特性和稳定性，从而满足日益增长的工业物联网应用需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种超高频抗金属rfid标签天线的封装优化方法，能够解决现有技术难以对rfid标签的封装设计进行系统化优化的技术问题。

2、本发明是这样实现的：

3、本发明提供一种超高频抗金属rfid标签天线的封装优化方法，包括以下步骤：

4、s10、构建包含超高频抗金属rfid标签天线的几何参数、材料特性和金属背板影响的复合方程组，考虑天线电流分布、输入阻抗、辐射特性以及金属背板引起的镜像效应，包括电流分布方程、输入阻抗方程、辐射场方程、镜像电流方程、表面电流密度方程、介质损耗方程、金属背板反射系数方程、天线增益方程以及天线效率方程；

5、s20、对所述复合方程组进行解析求解，得到多个解析解，分别是天线长度解析解、天线宽度解析解、天线厚度解析解、介质层厚度解析解、金属背板尺寸解析解、天线与背板间距解析解，将几何参数、材料特性和金属背板影响以及工作频率、芯片阻抗代入所述多个解析解，得到多个参数范围，分别是天线长度范围、天线宽度范围、天线厚度范围、介质层厚度范围、金属背板尺寸范围、天线与背板间距范围；

6、s30、基于天线的性能指标建立考虑封装参数的多目标优化模型，所述性能指标包括读取距离、带宽、增益、效率、方向性、阻抗匹配度，以所述多个解析解以及多个参数范围作为所述多目标优化模型的约束条件，所述封装参数包括封装材料介电常数、封装材料损耗角正切、封装厚度、封装尺寸、封装形状、封装位置；

7、s40、利用遗传算法，以预设的初始封装参数作为初始种群，通过选择、交叉、变异的操作进行迭代优化，求解所述多目标优化模型，得到优化后的封装参数；

8、s50、根据所述优化后的封装参数,进行超高频抗金属rfid标签天线的实际封装设计和制作。

9、所述几何参数包括:天线长度、天线宽度、天线厚度、介质层厚度、金属背板尺寸、天线与背板间距；

10、所述材料特性包括:天线导电率、介质层相对介电常数、介质层损耗角正切、金属背板电导率；

11、所述金属背板影响包括:镜像效应、表面电流分布、反射系数、趋肤深度。

12、其中，所述电流分布方程，具体表示为：

13、；

14、式中，为天线上z位置处的电流；为馈电点电流幅值；为馈电点电压幅值；为波数；为工作波长；为特性阻抗；为沿天线轴向的位置坐标，为虚数单位，。

15、其中，所述输入阻抗方程，具体表示为：

16、；

17、式中，为输入阻抗；为输入电阻；为输入电抗；为辐射电阻；为损耗电阻；为天线本身电抗；为由金属背板引起的互感电抗；通过以下公式计算:

18、；

19、其中是辐射功率,通过远场积分得到:

20、；

21、其中，是电场强度，是磁场强度，是积分面，表示复共轭；

22、通过导体损耗和介质损耗计算:

23、；

24、其中为导体损耗，为介质损耗，为角频率，为相对介电常数，为介质损耗角正切，是天线长度,是导体半径,是趋肤深度,是介质体积。

25、其中，所述辐射场方程，具体表示为：

26、；

27、；

28、式中，为远场电场分量，为远场磁场分量，为自由空间波阻抗；为观察点到天线的距离；为与天线轴的夹角。

29、其中，所述镜像电流方程，具体表示为：

30、；

31、式中，是天线到金属背板的距离。

32、其中，所述表面电流密度方程，具体表示为：

33、；

34、其中是表面法向量，是导体电导率,和分别是金属背板两侧的磁场,是切向电场。

35、其中，所述介质损耗方程，具体表示为：

36、；

37、其中是角频率,是真空介电常数,是介质体积。

38、其中，所述金属背板反射系数方程，具体表示为：

39、；

40、其中是金属表面阻抗,是自由空间阻抗，是真空磁导率。

41、其中，所述天线增益方程，具体表示为：

42、；

43、其中是辐射强度,是输入功率。

44、其中，所述天线效率方程，具体表示为：

45、。

46、具体而言,所述步骤s10,具体包括:构建包含超高频抗金属rfid标签天线的几何参数、材料特性和金属背板影响的复合方程组。该复合方程组包括电流分布方程、输入阻抗方程、辐射场方程、镜像电流方程、表面电流密度方程、介质损耗方程、金属背板反射系数方程、天线增益方程以及天线效率方程等。通过建立这样一个综合的数学模型,可以全面地描述超高频抗金属rfid标签天线的各项性能指标,为后续的参数优化奠定基础。

47、其中,所述步骤s20具体包括:对所述复合方程组进行解析求解,得到天线长度、宽度、厚度,介质层厚度,背板尺寸以及天线与背板间距等参数的解析表达式。这些解析解直接反映了各个参数之间的相互关系,为后续的参数优化提供依据。例如,天线长度与工作波长的关系,天线宽度与工作频率及介电常数的关系,天线厚度与导电率的关系,介质层厚度与工作波长及介电常数的关系,背板尺寸与天线尺寸的关系,以及天线与背板间距与工作波长的关系等。

48、其中,所述步骤s30具体包括:基于读取距离、带宽、增益、效率、方向性以及阻抗匹配度等天线性能指标,建立一个多目标优化模型。该优化函数采用加权和的形式,将各性能指标子函数综合考虑。同时将步骤s20得到的各个参数的解析解及其取值范围作为优化模型的约束条件。此外,还需要将封装参数,如封装材料的介电常数、损耗角正切、厚度、尺寸、形状及位置等,一并纳入优化目标函数中进行权衡。通过建立这样一个多目标优化模型,可以在满足各项性能指标的前提下,找到最优的天线参数和封装方案。

49、其中,所述步骤s40具体包括:利用遗传算法对步骤s30建立的多目标优化问题进行迭代求解。首先设定一组初始的封装参数作为初始种群,计算其适应度值。然后采用选择、交叉、变异等操作,产生新的个体并更新种群,直至达到预设的终止条件。通过遗传算法的迭代优化,可以最终得到满足各项性能指标的最优封装参数方案。该启发式优化算法能够有效地探索复杂的多目标优化问题的解空间,找到接近全局最优的解。

50、其中,所述步骤s50具体包括:根据步骤s40得到的最优封装参数,进行超高频抗金属rfid标签天线的实际封装设计和制作。具体包括确定天线几何尺寸、选择金属背板、确定天线与背板的间距、选择封装材料和尺寸,以及组装封装并进行性能测试等步骤。通过这一系列的实际封装设计和制作过程,可以将前述的理论优化结果转化为实际可用的rfid标签天线产品。同时,在制作和测试过程中积累的经验反馈,也可以进一步完善前述的理论模型和优化方法,提高设计的可靠性和准确性。

51、其中,所述步骤s10中构建的复合方程组还包括以下内容:

52、1)电流分布方程:描述了天线上电流的分布情况,直接影响天线的辐射特性。该方程能够表征天线馈电点的电流幅值、相位以及沿天线轴向的变化规律。

53、2)输入阻抗方程:描述了天线的输入阻抗,包括辐射电阻、损耗电阻、天线本身电抗以及由金属背板引起的互感电抗等。输入阻抗的大小和匹配情况直接影响天线的工作性能。

54、3)辐射场方程:计算了天线的远场电磁场分布,为后续的增益、方向性等参数的计算奠定基础。该方程能够表示天线在任意观察方向上的电场和磁场分量。

55、4)镜像电流方程:描述了金属背板引起的镜像电流,这会影响天线的电流分布和输入阻抗。

56、通过建立上述复合方程组,可以全面地描述超高频抗金属rfid标签天线的各项性能指标,为后续的参数优化提供依据。

57、其中,所述步骤s20中对复合方程组进行解析求解,得到的天线几何参数解析解包括:

58、1)天线长度解析解:利用电流分布方程和输入阻抗方程,得到天线长度与工作波长的关系,并引入端部效应的修正系数。

59、2)天线宽度解析解:从输入阻抗方程和辐射场方程出发,得到天线宽度与工作频率及介电常数的关系,并引入宽度修正系数。

60、3)天线厚度解析解:基于表面电流密度方程和趋肤效应,得到天线厚度与导电率的关系,并引入厚度系数。

61、4)介质层厚度解析解:从镜像电流方程出发,得到介质层厚度与工作波长及介电常数的关系,并引入厚度修正系数。

62、与现有技术相比较，本发明提供的一种超高频抗金属rfid标签天线的封装优化方法的有益效果是：通过系统化的理论分析和多目标优化策略，有效解决了现有技术中存在的问题，并带来了显著的技术进步：

63、首先，本方法建立了包含天线几何参数、材料特性和金属背板影响的复合方程组，全面考虑了电流分布、输入阻抗、辐射特性以及金属背板引起的镜像效应等因素。这种全面的理论模型为后续的优化提供了坚实的基础，使得设计过程更加科学和可靠。

64、其次，通过对复合方程组进行解析求解，本方法得到了多个关键参数的解析解和参数范围。这些解析解不仅提供了初始设计的理论指导，还大大缩小了参数搜索空间，提高了后续优化的效率。相比于传统的经验设计或纯粹的数值优化方法，这种解析-数值结合的方法能够更快地收敛到最优解。

65、再者，本方法建立了考虑封装参数的多目标优化模型，将读取距离、带宽、增益、效率、方向性和阻抗匹配等多个性能指标纳入优化目标。这种多目标优化策略能够在各项性能指标间取得良好的平衡，避免了单一性能指标优化可能带来的其他性能下降问题。

66、此外，本方法创新性地将封装参数（如封装材料介电常数、损耗角正切、封装厚度、尺寸、形状和位置）纳入优化模型，实现了天线设计与封装设计的协同优化。这种整体优化策略不仅提高了标签的整体性能，还确保了封装后的标签仍能保持优异的抗金属特性。

67、通过遗传算法的迭代优化，本方法能够在复杂的参数空间中高效地搜索最优解。这种智能优化算法可以处理非线性、多变量的优化问题，克服了传统设计方法难以处理复杂相互作用的局限性。

68、综上所述，本发明解决了现有技术难以对rfid标签的封装设计进行系统化优化的技术问题。