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智能化戰備藥箱RFID閱讀器多屜天線設計
作者：朱軼 ，來欣 ，王洪金 ，王 剛
來源：RFID世界網
日期：2009-06-11 11:41:51
摘要：目的：研制一種用于多屜戰備藥箱的RFID閱讀器天線，該天線可實現藥箱內各屜藥品RFID標簽的有效識別。方法：采用多個覆蓋較小區域線圈的串并組合來構成一個覆蓋較大區域的天線線圈。由于縮小了單個線圈的面積，在組合線圈的工作區域不易出現閱讀盲區，有助于提高RFID系統的識讀性能。結果：藥箱箱體大小58 cm×50 cm×62 cm，內部分2～3層，設計成用4個小線圈組成的組合天線來覆蓋整個抽屜底部，實驗中測得該天線的閱讀范圍約為54 cm×48 cm×30 cm．可讀出放置在藥箱抽屜底層的全部標簽和大部分放置在藥箱抽屜上層的標簽。結論：采用所設計的天線，可以準確識讀藥箱內各屜藥品RFID標簽，且有利于降低藥箱RFID系統成本，具有廣闊的應用前景。
1 引言
典型的射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)系統由閱讀器、標簽和數據處理單元組成。在被動式RFID系統中，閱讀器和標簽間的通信是通過兩個天線線圈間的電磁耦合完成的。為避免對其他已存在無線系統的影響，各國政府都做出了相應的規定，限制RFID系統的最大輻射功率。因此，在閱讀器輸出功率一定的條件下，閱讀器與標簽能夠可靠通信的距離(定義為RFID系統的作用距離)與天線的尺寸和天線產生的磁通量有關。所以，對一個成功的RFID應用來說，給閱讀器設計適當的天線非常重要。
在電感耦合式RFID系統中，標簽的微芯片工作所需要的全部能量都是由標簽天線線圈耦合閱讀器天線線圈產生的磁通量而形成的感應電壓提供的。因此，閱讀器天線的作用就是輻射電磁能量以向標簽提供電源供標簽的微芯片工作，同時吸收電磁能量使閱讀器能夠接收標簽發射的射頻信號。所以閱讀器天線設計的關鍵是使閱讀器具有較大的覆蓋區域并在覆蓋區域中無閱讀盲區。
盡管國內外有很多的公司對RFID的天線進行了大量的研究，但他們大多針對RFID天線設計的一般性問題．如天線線圈的電感計算、天線匹配電路的設計H 和如何增大天線近場的識別能力等方面。但對于如何在不增大閱讀器輸出功率的情況下，擴大閱讀器的工作區域，探討較少。基于RFID的智能化戰備藥箱中通常會有多層抽屜．附有RFID標簽的藥品通常裝在各抽屜之中。對其中的藥品標簽進行識讀。不僅要求閱讀器天線工作范圍在某一層抽屜平面有良好的覆蓋，同時還要覆蓋藥箱其他各層抽屜。這無疑給閱讀器天線的設計帶來了新的問題。
本文針對13．56 MHz電感耦合式RFID系統，提出了一種智能化藥箱多屜天線設計方法，通過適當選擇天線線圈的尺寸，保證在天線的工作區域中心不會出現閱讀盲區。通過多個線圈的串并聯組合，不僅能在小電流的情況下擴大閱讀器天線的平面工作區域，還能夠覆蓋多層結構，可以有效地提高基于RFID的智能藥箱性能。
2 單層覆蓋組合天線的設計思路
天線由電感和電容組成的串聯或并聯諧振回路構成，電路的諧振頻率與諧振元件LC的乘積成反比，所以，在電路的諧振頻率一定時，當電感增大到一定值時，電容需要非常小，而一旦電感超過某個特定值，電容的匹配就會出現問題。因此，對特定頻率的系統，其天線的電感取值通常都在一定范圍內，例如對13．56 MHZ的RFID系統，通常使用幾微亨的電感和幾百皮法的諧振電容。
當天線工作時，其周圍會產生電磁場，天線產生的磁通量等于穿過天線線圈的磁力線總數。而在RFID系統中，標簽中微芯片工作所需的電壓是耦合閱讀器天線線圈產生的磁通量而形成的感應電壓，其值等于磁通量對時間的變化率。因此，欲增加標簽感應的電壓，必須增加天線線圈產生的磁通量。而天線線圈產生的磁通量與流過線圈的電流、線圈的面積和繞制線圈的匝數成正比。所以，在閱讀器輸出電流一定的情況下，欲使天線線圈產生較大的磁通量，必須增大天線線圈的面積或增加繞制線圈時的匝數。但當天線線圈的面積大到一定程度時。線圈中心與通電導體之間的距離變遠，磁場強度變弱，因而會在線圈中心出現無法閱該標簽的磁通洞。
為在功率受限情況下使閱讀器能閱讀較大范圍內的標簽且在天線線圈的中央不出現磁通洞，我們提出了用幾個較小線圈的組合來代替原來較大線圈的天線線圈繞制方案。在天線設計時，首先確定小線圈的尺寸和數量。小線圈的尺寸和數量的確定是根據線圈覆蓋區域、閱讀器的輸出電流和工作頻率等因素綜合考慮的。在閱讀器工作頻率確定時，天線電感的取值范圍是確定的，所以繞制線圈的導體長度是確定的。為使線圈產生較大的磁場強度，應使線圈的繞制匝數在2～3匝。再根據電流強度、總的覆蓋區域，適當調整小線圈的尺寸。使線圈盡可能覆蓋較大區域的情況下不出現磁通洞。在設計時應在小線圈覆蓋的區域、繞制的匝數和無磁通洞間進行綜合考慮。
其次，小線圈在連接起來形成組合線圈時，不同的連接方式會導致流過小線圈的電流和組合后線圈的總電感不同，從而影響天線的性能。根據電路理論，電感串聯時。流過各電感支路的電流相同，總電感等于各電感之和；電感并聯時，各電感支路的電流之和等于總電流，總電感的倒數等于各支路電感倒數之和。因此，在將小線圈連接起來時，既要保持組合線圈的總電感不能太大，以免難以進行諧振電路中電容的匹配；又要保持每個小線圈具有較大的電流值，保證小線圈的中心具有較大的磁感應強度使標簽感應到足夠的感應電壓。所以小線圈的連接不能使用單一的串聯或并聯方式，而是要采用串并結合的方式，使總電感在允許的范圍內和每個小線圈有足夠大的電流強度。
3 智能化藥箱閱讀器多屜天線的設計
在設計基于RFID技術的智能藥箱系統時，我們采用了13．56 MHz電感耦合式RnD系統。由于戰備藥箱是一個58 cm×50 cm×62 cm 的箱體，內部分為2～3層，可以放置較多的藥品。在設計過程中，我們發現常用的天線，例如，ISC．ANT340／240型中距離閱讀器天線在接入FEIG ISC。MR100中距離閱讀器時，該天線僅能正確讀出37 cm×27 cm×40 cm的區域內的標簽(天線說明書的標稱值)，即在中小電流工作的情況下，閱讀器天線產生的電磁場不能覆蓋整個箱體。所以采用單個閱讀器天線勢必出現藥箱內某些局部的藥品不能被正確讀出。采用多個天線需要添加協調多個天線的控制電路，增加了閱讀器閱讀標簽的時間和系統的成本。
因此。我們采用上述天線的設計思想設計了逐層覆蓋藥箱抽屜底部的閱讀器天線。藥箱抽屜的底部約為44 cmx38cm 的矩形，因此，設計成用4個小線圈組成的組合線圈來覆蓋整個抽屜底部，線圈采用串并結合的方式進行連接。這樣形成的天線在Agilent矢量網絡分析儀上測得該天線在13．56 MHz的諧振頻率上反射系數低于-30 dB．如圖2所示。
在設計智能戰備藥箱系統時，我們采用了按照本文提出的天線設計方案設計的天線來逐層覆蓋藥箱抽屜。如上所述本文的天線設計方案設計的天線僅可閱讀部分放置在藥箱抽屜上層的藥品上的標簽．單層天線無法實現整個抽屜內部的覆蓋。因此在實際設計中，我們采用了4個組合線圈天線來覆蓋戰備藥箱的3層抽屜(如圖3所示)。線圈l置于藥箱頂部的下方，用它閱讀第1層抽屜上層的藥品上的標簽；線圈2置于藥箱第1層抽屜的底部，用于閱讀第1層抽屜底層和第2層抽屜上層的標簽．依此類推。采用這樣的方法，我們使用單個閱讀器就能夠閱讀整個藥箱內的藥品標簽，避免了使用多個天線時帶來的天線控制不便，也避免了由于使用多個閱讀器帶來的成本增加。
實際測試數據表明，按該方案設計出來的閱讀器天線不僅擴大了閱讀器在智能藥箱某一層抽屜平面的閱讀區域，還可覆蓋藥箱中的多層抽屜，在平面和高度兩個方面均擴大了閱讀器的工作區域，大大提高了基于RFID技術的智能藥箱的性能。
本文針對13．56 MHz電感耦合式RFID系統中單天線的閱讀器功率與覆蓋范圍間的矛盾，提出了一種新的天線線圈設計方法，通過適當尺寸的多個小線圈的串并聯組合來構成一個較大區域的天線線圈。由于縮小了單個線圈的面積，從而使線圈的中心有較強的磁感應強度，避免了出現閱讀盲區。通過多層、多天線的組合還可以擴展閱讀器在垂直方向的覆蓋范圍。實際瀏試數據表明，采用所設計的天線，可以準確識讀藥箱內各屜藥品RFID標簽。且有利于降低藥箱RFID系統成本，具有廣闊的應用前景。
典型的射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)系統由閱讀器、標簽和數據處理單元組成。在被動式RFID系統中，閱讀器和標簽間的通信是通過兩個天線線圈間的電磁耦合完成的。為避免對其他已存在無線系統的影響，各國政府都做出了相應的規定，限制RFID系統的最大輻射功率。因此，在閱讀器輸出功率一定的條件下，閱讀器與標簽能夠可靠通信的距離(定義為RFID系統的作用距離)與天線的尺寸和天線產生的磁通量有關。所以，對一個成功的RFID應用來說，給閱讀器設計適當的天線非常重要。
在電感耦合式RFID系統中，標簽的微芯片工作所需要的全部能量都是由標簽天線線圈耦合閱讀器天線線圈產生的磁通量而形成的感應電壓提供的。因此，閱讀器天線的作用就是輻射電磁能量以向標簽提供電源供標簽的微芯片工作，同時吸收電磁能量使閱讀器能夠接收標簽發射的射頻信號。所以閱讀器天線設計的關鍵是使閱讀器具有較大的覆蓋區域并在覆蓋區域中無閱讀盲區。
盡管國內外有很多的公司對RFID的天線進行了大量的研究，但他們大多針對RFID天線設計的一般性問題．如天線線圈的電感計算、天線匹配電路的設計H 和如何增大天線近場的識別能力等方面。但對于如何在不增大閱讀器輸出功率的情況下，擴大閱讀器的工作區域，探討較少。基于RFID的智能化戰備藥箱中通常會有多層抽屜．附有RFID標簽的藥品通常裝在各抽屜之中。對其中的藥品標簽進行識讀。不僅要求閱讀器天線工作范圍在某一層抽屜平面有良好的覆蓋，同時還要覆蓋藥箱其他各層抽屜。這無疑給閱讀器天線的設計帶來了新的問題。
本文針對13．56 MHz電感耦合式RFID系統，提出了一種智能化藥箱多屜天線設計方法，通過適當選擇天線線圈的尺寸，保證在天線的工作區域中心不會出現閱讀盲區。通過多個線圈的串并聯組合，不僅能在小電流的情況下擴大閱讀器天線的平面工作區域，還能夠覆蓋多層結構，可以有效地提高基于RFID的智能藥箱性能。
2 單層覆蓋組合天線的設計思路
天線由電感和電容組成的串聯或并聯諧振回路構成，電路的諧振頻率與諧振元件LC的乘積成反比，所以，在電路的諧振頻率一定時，當電感增大到一定值時，電容需要非常小，而一旦電感超過某個特定值，電容的匹配就會出現問題。因此，對特定頻率的系統，其天線的電感取值通常都在一定范圍內，例如對13．56 MHZ的RFID系統，通常使用幾微亨的電感和幾百皮法的諧振電容。
當天線工作時，其周圍會產生電磁場，天線產生的磁通量等于穿過天線線圈的磁力線總數。而在RFID系統中，標簽中微芯片工作所需的電壓是耦合閱讀器天線線圈產生的磁通量而形成的感應電壓，其值等于磁通量對時間的變化率。因此，欲增加標簽感應的電壓，必須增加天線線圈產生的磁通量。而天線線圈產生的磁通量與流過線圈的電流、線圈的面積和繞制線圈的匝數成正比。所以，在閱讀器輸出電流一定的情況下，欲使天線線圈產生較大的磁通量，必須增大天線線圈的面積或增加繞制線圈時的匝數。但當天線線圈的面積大到一定程度時。線圈中心與通電導體之間的距離變遠，磁場強度變弱，因而會在線圈中心出現無法閱該標簽的磁通洞。
為在功率受限情況下使閱讀器能閱讀較大范圍內的標簽且在天線線圈的中央不出現磁通洞，我們提出了用幾個較小線圈的組合來代替原來較大線圈的天線線圈繞制方案。在天線設計時，首先確定小線圈的尺寸和數量。小線圈的尺寸和數量的確定是根據線圈覆蓋區域、閱讀器的輸出電流和工作頻率等因素綜合考慮的。在閱讀器工作頻率確定時，天線電感的取值范圍是確定的，所以繞制線圈的導體長度是確定的。為使線圈產生較大的磁場強度，應使線圈的繞制匝數在2～3匝。再根據電流強度、總的覆蓋區域，適當調整小線圈的尺寸。使線圈盡可能覆蓋較大區域的情況下不出現磁通洞。在設計時應在小線圈覆蓋的區域、繞制的匝數和無磁通洞間進行綜合考慮。
其次，小線圈在連接起來形成組合線圈時，不同的連接方式會導致流過小線圈的電流和組合后線圈的總電感不同，從而影響天線的性能。根據電路理論，電感串聯時。流過各電感支路的電流相同，總電感等于各電感之和；電感并聯時，各電感支路的電流之和等于總電流，總電感的倒數等于各支路電感倒數之和。因此，在將小線圈連接起來時，既要保持組合線圈的總電感不能太大，以免難以進行諧振電路中電容的匹配；又要保持每個小線圈具有較大的電流值，保證小線圈的中心具有較大的磁感應強度使標簽感應到足夠的感應電壓。所以小線圈的連接不能使用單一的串聯或并聯方式，而是要采用串并結合的方式，使總電感在允許的范圍內和每個小線圈有足夠大的電流強度。
圖1 組合線圈天線原理示意圖
3 智能化藥箱閱讀器多屜天線的設計
在設計基于RFID技術的智能藥箱系統時，我們采用了13．56 MHz電感耦合式RnD系統。由于戰備藥箱是一個58 cm×50 cm×62 cm 的箱體，內部分為2～3層，可以放置較多的藥品。在設計過程中，我們發現常用的天線，例如，ISC．ANT340／240型中距離閱讀器天線在接入FEIG ISC。MR100中距離閱讀器時，該天線僅能正確讀出37 cm×27 cm×40 cm的區域內的標簽(天線說明書的標稱值)，即在中小電流工作的情況下，閱讀器天線產生的電磁場不能覆蓋整個箱體。所以采用單個閱讀器天線勢必出現藥箱內某些局部的藥品不能被正確讀出。采用多個天線需要添加協調多個天線的控制電路，增加了閱讀器閱讀標簽的時間和系統的成本。
因此。我們采用上述天線的設計思想設計了逐層覆蓋藥箱抽屜底部的閱讀器天線。藥箱抽屜的底部約為44 cmx38cm 的矩形，因此，設計成用4個小線圈組成的組合線圈來覆蓋整個抽屜底部，線圈采用串并結合的方式進行連接。這樣形成的天線在Agilent矢量網絡分析儀上測得該天線在13．56 MHz的諧振頻率上反射系數低于-30 dB．如圖2所示。
圖2 Agilent矢量網絡分析儀測得的組合線圈的天線的反射系數曲線
在設計智能戰備藥箱系統時，我們采用了按照本文提出的天線設計方案設計的天線來逐層覆蓋藥箱抽屜。如上所述本文的天線設計方案設計的天線僅可閱讀部分放置在藥箱抽屜上層的藥品上的標簽．單層天線無法實現整個抽屜內部的覆蓋。因此在實際設計中，我們采用了4個組合線圈天線來覆蓋戰備藥箱的3層抽屜(如圖3所示)。線圈l置于藥箱頂部的下方，用它閱讀第1層抽屜上層的藥品上的標簽；線圈2置于藥箱第1層抽屜的底部，用于閱讀第1層抽屜底層和第2層抽屜上層的標簽．依此類推。采用這樣的方法，我們使用單個閱讀器就能夠閱讀整個藥箱內的藥品標簽，避免了使用多個天線時帶來的天線控制不便，也避免了由于使用多個閱讀器帶來的成本增加。
實際測試數據表明，按該方案設計出來的閱讀器天線不僅擴大了閱讀器在智能藥箱某一層抽屜平面的閱讀區域，還可覆蓋藥箱中的多層抽屜，在平面和高度兩個方面均擴大了閱讀器的工作區域，大大提高了基于RFID技術的智能藥箱的性能。
圖3 智能戰備藥箱系統
本文針對13．56 MHz電感耦合式RFID系統中單天線的閱讀器功率與覆蓋范圍間的矛盾，提出了一種新的天線線圈設計方法，通過適當尺寸的多個小線圈的串并聯組合來構成一個較大區域的天線線圈。由于縮小了單個線圈的面積，從而使線圈的中心有較強的磁感應強度，避免了出現閱讀盲區。通過多層、多天線的組合還可以擴展閱讀器在垂直方向的覆蓋范圍。實際瀏試數據表明，采用所設計的天線，可以準確識讀藥箱內各屜藥品RFID標簽。且有利于降低藥箱RFID系統成本，具有廣闊的應用前景。
