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智能化战备药箱RFID阅读器多屉天线设计
作者：朱轶 ，来欣 ，王洪金 ，王 刚
来源：RFID世界网
日期：2009-06-11 11:41:51
摘要：目的：研制一种用于多屉战备药箱的RFID阅读器天线，该天线可实现药箱内各屉药品RFID标签的有效识别。方法：采用多个覆盖较小区域线圈的串并组合来构成一个覆盖较大区域的天线线圈。由于缩小了单个线圈的面积，在组合线圈的工作区域不易出现阅读盲区，有助于提高RFID系统的识读性能。结果：药箱箱体大小58 cm×50 cm×62 cm，内部分2～3层，设计成用4个小线圈组成的组合天线来覆盖整个抽屉底部，实验中测得该天线的阅读范围约为54 cm×48 cm×30 cm．可读出放置在药箱抽屉底层的全部标签和大部分放置在药箱抽屉上层的标签。结论：采用所设计的天线，可以准确识读药箱内各屉药品RFID标签，且有利于降低药箱RFID系统成本，具有广阔的应用前景。
1 引言
典型的射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)系统由阅读器、标签和数据处理单元组成。在被动式RFID系统中，阅读器和标签间的通信是通过两个天线线圈间的电磁耦合完成的。为避免对其他已存在无线系统的影响，各国政府都做出了相应的规定，限制RFID系统的最大辐射功率。因此，在阅读器输出功率一定的条件下，阅读器与标签能够可靠通信的距离(定义为RFID系统的作用距离)与天线的尺寸和天线产生的磁通量有关。所以，对一个成功的RFID应用来说，给阅读器设计适当的天线非常重要。
在电感耦合式RFID系统中，标签的微芯片工作所需要的全部能量都是由标签天线线圈耦合阅读器天线线圈产生的磁通量而形成的感应电压提供的。因此，阅读器天线的作用就是辐射电磁能量以向标签提供电源供标签的微芯片工作，同时吸收电磁能量使阅读器能够接收标签发射的射频信号。所以阅读器天线设计的关键是使阅读器具有较大的覆盖区域并在覆盖区域中无阅读盲区。
尽管国内外有很多的公司对RFID的天线进行了大量的研究，但他们大多针对RFID天线设计的一般性问题．如天线线圈的电感计算、天线匹配电路的设计H 和如何增大天线近场的识别能力等方面。但对于如何在不增大阅读器输出功率的情况下，扩大阅读器的工作区域，探讨较少。基于RFID的智能化战备药箱中通常会有多层抽屉．附有RFID标签的药品通常装在各抽屉之中。对其中的药品标签进行识读。不仅要求阅读器天线工作范围在某一层抽屉平面有良好的覆盖，同时还要覆盖药箱其他各层抽屉。这无疑给阅读器天线的设计带来了新的问题。
本文针对13．56 MHz电感耦合式RFID系统，提出了一种智能化药箱多屉天线设计方法，通过适当选择天线线圈的尺寸，保证在天线的工作区域中心不会出现阅读盲区。通过多个线圈的串并联组合，不仅能在小电流的情况下扩大阅读器天线的平面工作区域，还能够覆盖多层结构，可以有效地提高基于RFID的智能药箱性能。
2 单层覆盖组合天线的设计思路
天线由电感和电容组成的串联或并联谐振回路构成，电路的谐振频率与谐振元件LC的乘积成反比，所以，在电路的谐振频率一定时，当电感增大到一定值时，电容需要非常小，而一旦电感超过某个特定值，电容的匹配就会出现问题。因此，对特定频率的系统，其天线的电感取值通常都在一定范围内，例如对13．56 MHZ的RFID系统，通常使用几微亨的电感和几百皮法的谐振电容。
当天线工作时，其周围会产生电磁场，天线产生的磁通量等于穿过天线线圈的磁力线总数。而在RFID系统中，标签中微芯片工作所需的电压是耦合阅读器天线线圈产生的磁通量而形成的感应电压，其值等于磁通量对时间的变化率。因此，欲增加标签感应的电压，必须增加天线线圈产生的磁通量。而天线线圈产生的磁通量与流过线圈的电流、线圈的面积和绕制线圈的匝数成正比。所以，在阅读器输出电流一定的情况下，欲使天线线圈产生较大的磁通量，必须增大天线线圈的面积或增加绕制线圈时的匝数。但当天线线圈的面积大到一定程度时。线圈中心与通电导体之间的距离变远，磁场强度变弱，因而会在线圈中心出现无法阅该标签的磁通洞。
为在功率受限情况下使阅读器能阅读较大范围内的标签且在天线线圈的中央不出现磁通洞，我们提出了用几个较小线圈的组合来代替原来较大线圈的天线线圈绕制方案。在天线设计时，首先确定小线圈的尺寸和数量。小线圈的尺寸和数量的确定是根据线圈覆盖区域、阅读器的输出电流和工作频率等因素综合考虑的。在阅读器工作频率确定时，天线电感的取值范围是确定的，所以绕制线圈的导体长度是确定的。为使线圈产生较大的磁场强度，应使线圈的绕制匝数在2～3匝。再根据电流强度、总的覆盖区域，适当调整小线圈的尺寸。使线圈尽可能覆盖较大区域的情况下不出现磁通洞。在设计时应在小线圈覆盖的区域、绕制的匝数和无磁通洞间进行综合考虑。
其次，小线圈在连接起来形成组合线圈时，不同的连接方式会导致流过小线圈的电流和组合后线圈的总电感不同，从而影响天线的性能。根据电路理论，电感串联时。流过各电感支路的电流相同，总电感等于各电感之和；电感并联时，各电感支路的电流之和等于总电流，总电感的倒数等于各支路电感倒数之和。因此，在将小线圈连接起来时，既要保持组合线圈的总电感不能太大，以免难以进行谐振电路中电容的匹配；又要保持每个小线圈具有较大的电流值，保证小线圈的中心具有较大的磁感应强度使标签感应到足够的感应电压。所以小线圈的连接不能使用单一的串联或并联方式，而是要采用串并结合的方式，使总电感在允许的范围内和每个小线圈有足够大的电流强度。
3 智能化药箱阅读器多屉天线的设计
在设计基于RFID技术的智能药箱系统时，我们采用了13．56 MHz电感耦合式RnD系统。由于战备药箱是一个58 cm×50 cm×62 cm 的箱体，内部分为2～3层，可以放置较多的药品。在设计过程中，我们发现常用的天线，例如，ISC．ANT340／240型中距离阅读器天线在接入FEIG ISC。MR100中距离阅读器时，该天线仅能正确读出37 cm×27 cm×40 cm的区域内的标签(天线说明书的标称值)，即在中小电流工作的情况下，阅读器天线产生的电磁场不能覆盖整个箱体。所以采用单个阅读器天线势必出现药箱内某些局部的药品不能被正确读出。采用多个天线需要添加协调多个天线的控制电路，增加了阅读器阅读标签的时间和系统的成本。
因此。我们采用上述天线的设计思想设计了逐层覆盖药箱抽屉底部的阅读器天线。药箱抽屉的底部约为44 cmx38cm 的矩形，因此，设计成用4个小线圈组成的组合线圈来覆盖整个抽屉底部，线圈采用串并结合的方式进行连接。这样形成的天线在Agilent矢量网络分析仪上测得该天线在13．56 MHz的谐振频率上反射系数低于-30 dB．如图2所示。
在设计智能战备药箱系统时，我们采用了按照本文提出的天线设计方案设计的天线来逐层覆盖药箱抽屉。如上所述本文的天线设计方案设计的天线仅可阅读部分放置在药箱抽屉上层的药品上的标签．单层天线无法实现整个抽屉内部的覆盖。因此在实际设计中，我们采用了4个组合线圈天线来覆盖战备药箱的3层抽屉(如图3所示)。线圈l置于药箱顶部的下方，用它阅读第1层抽屉上层的药品上的标签；线圈2置于药箱第1层抽屉的底部，用于阅读第1层抽屉底层和第2层抽屉上层的标签．依此类推。采用这样的方法，我们使用单个阅读器就能够阅读整个药箱内的药品标签，避免了使用多个天线时带来的天线控制不便，也避免了由于使用多个阅读器带来的成本增加。
实际测试数据表明，按该方案设计出来的阅读器天线不仅扩大了阅读器在智能药箱某一层抽屉平面的阅读区域，还可覆盖药箱中的多层抽屉，在平面和高度两个方面均扩大了阅读器的工作区域，大大提高了基于RFID技术的智能药箱的性能。
本文针对13．56 MHz电感耦合式RFID系统中单天线的阅读器功率与覆盖范围间的矛盾，提出了一种新的天线线圈设计方法，通过适当尺寸的多个小线圈的串并联组合来构成一个较大区域的天线线圈。由于缩小了单个线圈的面积，从而使线圈的中心有较强的磁感应强度，避免了出现阅读盲区。通过多层、多天线的组合还可以扩展阅读器在垂直方向的覆盖范围。实际浏试数据表明，采用所设计的天线，可以准确识读药箱内各屉药品RFID标签。且有利于降低药箱RFID系统成本，具有广阔的应用前景。
典型的射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)系统由阅读器、标签和数据处理单元组成。在被动式RFID系统中，阅读器和标签间的通信是通过两个天线线圈间的电磁耦合完成的。为避免对其他已存在无线系统的影响，各国政府都做出了相应的规定，限制RFID系统的最大辐射功率。因此，在阅读器输出功率一定的条件下，阅读器与标签能够可靠通信的距离(定义为RFID系统的作用距离)与天线的尺寸和天线产生的磁通量有关。所以，对一个成功的RFID应用来说，给阅读器设计适当的天线非常重要。
在电感耦合式RFID系统中，标签的微芯片工作所需要的全部能量都是由标签天线线圈耦合阅读器天线线圈产生的磁通量而形成的感应电压提供的。因此，阅读器天线的作用就是辐射电磁能量以向标签提供电源供标签的微芯片工作，同时吸收电磁能量使阅读器能够接收标签发射的射频信号。所以阅读器天线设计的关键是使阅读器具有较大的覆盖区域并在覆盖区域中无阅读盲区。
尽管国内外有很多的公司对RFID的天线进行了大量的研究，但他们大多针对RFID天线设计的一般性问题．如天线线圈的电感计算、天线匹配电路的设计H 和如何增大天线近场的识别能力等方面。但对于如何在不增大阅读器输出功率的情况下，扩大阅读器的工作区域，探讨较少。基于RFID的智能化战备药箱中通常会有多层抽屉．附有RFID标签的药品通常装在各抽屉之中。对其中的药品标签进行识读。不仅要求阅读器天线工作范围在某一层抽屉平面有良好的覆盖，同时还要覆盖药箱其他各层抽屉。这无疑给阅读器天线的设计带来了新的问题。
本文针对13．56 MHz电感耦合式RFID系统，提出了一种智能化药箱多屉天线设计方法，通过适当选择天线线圈的尺寸，保证在天线的工作区域中心不会出现阅读盲区。通过多个线圈的串并联组合，不仅能在小电流的情况下扩大阅读器天线的平面工作区域，还能够覆盖多层结构，可以有效地提高基于RFID的智能药箱性能。
2 单层覆盖组合天线的设计思路
天线由电感和电容组成的串联或并联谐振回路构成，电路的谐振频率与谐振元件LC的乘积成反比，所以，在电路的谐振频率一定时，当电感增大到一定值时，电容需要非常小，而一旦电感超过某个特定值，电容的匹配就会出现问题。因此，对特定频率的系统，其天线的电感取值通常都在一定范围内，例如对13．56 MHZ的RFID系统，通常使用几微亨的电感和几百皮法的谐振电容。
当天线工作时，其周围会产生电磁场，天线产生的磁通量等于穿过天线线圈的磁力线总数。而在RFID系统中，标签中微芯片工作所需的电压是耦合阅读器天线线圈产生的磁通量而形成的感应电压，其值等于磁通量对时间的变化率。因此，欲增加标签感应的电压，必须增加天线线圈产生的磁通量。而天线线圈产生的磁通量与流过线圈的电流、线圈的面积和绕制线圈的匝数成正比。所以，在阅读器输出电流一定的情况下，欲使天线线圈产生较大的磁通量，必须增大天线线圈的面积或增加绕制线圈时的匝数。但当天线线圈的面积大到一定程度时。线圈中心与通电导体之间的距离变远，磁场强度变弱，因而会在线圈中心出现无法阅该标签的磁通洞。
为在功率受限情况下使阅读器能阅读较大范围内的标签且在天线线圈的中央不出现磁通洞，我们提出了用几个较小线圈的组合来代替原来较大线圈的天线线圈绕制方案。在天线设计时，首先确定小线圈的尺寸和数量。小线圈的尺寸和数量的确定是根据线圈覆盖区域、阅读器的输出电流和工作频率等因素综合考虑的。在阅读器工作频率确定时，天线电感的取值范围是确定的，所以绕制线圈的导体长度是确定的。为使线圈产生较大的磁场强度，应使线圈的绕制匝数在2～3匝。再根据电流强度、总的覆盖区域，适当调整小线圈的尺寸。使线圈尽可能覆盖较大区域的情况下不出现磁通洞。在设计时应在小线圈覆盖的区域、绕制的匝数和无磁通洞间进行综合考虑。
其次，小线圈在连接起来形成组合线圈时，不同的连接方式会导致流过小线圈的电流和组合后线圈的总电感不同，从而影响天线的性能。根据电路理论，电感串联时。流过各电感支路的电流相同，总电感等于各电感之和；电感并联时，各电感支路的电流之和等于总电流，总电感的倒数等于各支路电感倒数之和。因此，在将小线圈连接起来时，既要保持组合线圈的总电感不能太大，以免难以进行谐振电路中电容的匹配；又要保持每个小线圈具有较大的电流值，保证小线圈的中心具有较大的磁感应强度使标签感应到足够的感应电压。所以小线圈的连接不能使用单一的串联或并联方式，而是要采用串并结合的方式，使总电感在允许的范围内和每个小线圈有足够大的电流强度。
图1 组合线圈天线原理示意图
3 智能化药箱阅读器多屉天线的设计
在设计基于RFID技术的智能药箱系统时，我们采用了13．56 MHz电感耦合式RnD系统。由于战备药箱是一个58 cm×50 cm×62 cm 的箱体，内部分为2～3层，可以放置较多的药品。在设计过程中，我们发现常用的天线，例如，ISC．ANT340／240型中距离阅读器天线在接入FEIG ISC。MR100中距离阅读器时，该天线仅能正确读出37 cm×27 cm×40 cm的区域内的标签(天线说明书的标称值)，即在中小电流工作的情况下，阅读器天线产生的电磁场不能覆盖整个箱体。所以采用单个阅读器天线势必出现药箱内某些局部的药品不能被正确读出。采用多个天线需要添加协调多个天线的控制电路，增加了阅读器阅读标签的时间和系统的成本。
因此。我们采用上述天线的设计思想设计了逐层覆盖药箱抽屉底部的阅读器天线。药箱抽屉的底部约为44 cmx38cm 的矩形，因此，设计成用4个小线圈组成的组合线圈来覆盖整个抽屉底部，线圈采用串并结合的方式进行连接。这样形成的天线在Agilent矢量网络分析仪上测得该天线在13．56 MHz的谐振频率上反射系数低于-30 dB．如图2所示。
图2 Agilent矢量网络分析仪测得的组合线圈的天线的反射系数曲线
在设计智能战备药箱系统时，我们采用了按照本文提出的天线设计方案设计的天线来逐层覆盖药箱抽屉。如上所述本文的天线设计方案设计的天线仅可阅读部分放置在药箱抽屉上层的药品上的标签．单层天线无法实现整个抽屉内部的覆盖。因此在实际设计中，我们采用了4个组合线圈天线来覆盖战备药箱的3层抽屉(如图3所示)。线圈l置于药箱顶部的下方，用它阅读第1层抽屉上层的药品上的标签；线圈2置于药箱第1层抽屉的底部，用于阅读第1层抽屉底层和第2层抽屉上层的标签．依此类推。采用这样的方法，我们使用单个阅读器就能够阅读整个药箱内的药品标签，避免了使用多个天线时带来的天线控制不便，也避免了由于使用多个阅读器带来的成本增加。
实际测试数据表明，按该方案设计出来的阅读器天线不仅扩大了阅读器在智能药箱某一层抽屉平面的阅读区域，还可覆盖药箱中的多层抽屉，在平面和高度两个方面均扩大了阅读器的工作区域，大大提高了基于RFID技术的智能药箱的性能。
图3 智能战备药箱系统
本文针对13．56 MHz电感耦合式RFID系统中单天线的阅读器功率与覆盖范围间的矛盾，提出了一种新的天线线圈设计方法，通过适当尺寸的多个小线圈的串并联组合来构成一个较大区域的天线线圈。由于缩小了单个线圈的面积，从而使线圈的中心有较强的磁感应强度，避免了出现阅读盲区。通过多层、多天线的组合还可以扩展阅读器在垂直方向的覆盖范围。实际浏试数据表明，采用所设计的天线，可以准确识读药箱内各屉药品RFID标签。且有利于降低药箱RFID系统成本，具有广阔的应用前景。
