1 引言

　　典型的射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)系統(tǒng)由閱讀器、標(biāo)簽和數(shù)據(jù)處理單元組成。在被動(dòng)式RFID系統(tǒng)中，閱讀器和標(biāo)簽間的通信是通過(guò)兩個(gè)天線線圈間的電磁耦合完成的。為避免對(duì)其他已存在無(wú)線系統(tǒng)的影響，各國(guó)政府都做出了相應(yīng)的規(guī)定，限制RFID系統(tǒng)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(biāo)簽?zāi)軌蚩煽客ㄐ诺木嚯x(定義為RFID系統(tǒng)的作用距離)與天線的尺寸和天線產(chǎn)生的磁通量有關(guān)。所以，對(duì)一個(gè)成功的RFID應(yīng)用來(lái)說(shuō)，給閱讀器設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)奶炀€非常重要。

　　在電感耦合式RFID系統(tǒng)中，標(biāo)簽的微芯片工作所需要的全部能量都是由標(biāo)簽天線線圈耦合閱讀器天線線圈產(chǎn)生的磁通量而形成的感應(yīng)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(biāo)簽提供電源供標(biāo)簽的微芯片工作，同時(shí)吸收電磁能量使閱讀器能夠接收標(biāo)簽發(fā)射的射頻信號(hào)。所以閱讀器天線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是使閱讀器具有較大的覆蓋區(qū)域并在覆蓋區(qū)域中無(wú)閱讀盲區(qū)。

　　盡管?chē)?guó)內(nèi)外有很多的公司對(duì)RFID的天線進(jìn)行了大量的研究，但他們大多針對(duì)RFID天線設(shè)計(jì)的一般性問(wèn)題．如天線線圈的電感計(jì)算、天線匹配電路的設(shè)計(jì)H 和如何增大天線近場(chǎng)的識(shí)別能力等方面。但對(duì)于如何在不增大閱讀器輸出功率的情況下，擴(kuò)大閱讀器的工作區(qū)域，探討較少。基于RFID的智能化戰(zhàn)備藥箱中通常會(huì)有多層抽屜．附有RFID標(biāo)簽的藥品通常裝在各抽屜之中。對(duì)其中的藥品標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)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(shí)還要覆蓋藥箱其他各層抽屜。這無(wú)疑給閱讀器天線的設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的問(wèn)題。

　　本文針對(duì)13．56 MHz電感耦合式RFID系統(tǒng)，提出了一種智能化藥箱多屜天線設(shè)計(jì)方法，通過(guò)適當(dāng)選擇天線線圈的尺寸，保證在天線的工作區(qū)域中心不會(huì)出現(xiàn)閱讀盲區(qū)。通過(guò)多個(gè)線圈的串并聯(lián)組合，不僅能在小電流的情況下擴(kuò)大閱讀器天線的平面工作區(qū)域，還能夠覆蓋多層結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)思路

　　天線由電感和電容組成的串聯(lián)或并聯(lián)諧振回路構(gòu)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(shí)，當(dāng)電感增大到一定值時(shí)，電容需要非常小，而一旦電感超過(guò)某個(gè)特定值，電容的匹配就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。因此，對(duì)特定頻率的系統(tǒng)，其天線的電感取值通常都在一定范圍內(nèi)，例如對(duì)13．56 MHZ的RFID系統(tǒng)，通常使用幾微亨的電感和幾百皮法的諧振電容。

　　當(dāng)天線工作時(shí)，其周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，天線產(chǎn)生的磁通量等于穿過(guò)天線線圈的磁力線總數(shù)。而在RFID系統(tǒng)中，標(biāo)簽中微芯片工作所需的電壓是耦合閱讀器天線線圈產(chǎn)生的磁通量而形成的感應(yīng)電壓，其值等于磁通量對(duì)時(shí)間的變化率。因此，欲增加標(biāo)簽感應(yīng)的電壓，必須增加天線線圈產(chǎn)生的磁通量。而天線線圈產(chǎn)生的磁通量與流過(guò)線圈的電流、線圈的面積和繞制線圈的匝數(shù)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(chǎn)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(shí)的匝數(shù)。但當(dāng)天線線圈的面積大到一定程度時(shí)。線圈中心與通電導(dǎo)體之間的距離變遠(yuǎn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度變?nèi)?，因而?huì)在線圈中心出現(xiàn)無(wú)法閱該標(biāo)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(nèi)的標(biāo)簽且在天線線圈的中央不出現(xiàn)磁通洞，我們提出了用幾個(gè)較小線圈的組合來(lái)代替原來(lái)較大線圈的天線線圈繞制方案。在天線設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定小線圈的尺寸和數(shù)量。小線圈的尺寸和數(shù)量的確定是根據(jù)線圈覆蓋區(qū)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(shí)，天線電感的取值范圍是確定的，所以繞制線圈的導(dǎo)體長(zhǎng)度是確定的。為使線圈產(chǎn)生較大的磁場(chǎng)強(qiáng)度，應(yīng)使線圈的繞制匝數(shù)在2～3匝。再根據(jù)電流強(qiáng)度、總的覆蓋區(qū)域，適當(dāng)調(diào)整小線圈的尺寸。使線圈盡可能覆蓋較大區(qū)域的情況下不出現(xiàn)磁通洞。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在小線圈覆蓋的區(qū)域、繞制的匝數(shù)和無(wú)磁通洞間進(jìn)行綜合考慮。

　　其次，小線圈在連接起來(lái)形成組合線圈時(shí)，不同的連接方式會(huì)導(dǎo)致流過(guò)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(jù)電路理論，電感串聯(lián)時(shí)。流過(guò)各電感支路的電流相同，總電感等于各電感之和；電感并聯(lián)時(shí)，各電感支路的電流之和等于總電流，總電感的倒數(shù)等于各支路電感倒數(shù)之和。因此，在將小線圈連接起來(lái)時(shí)，既要保持組合線圈的總電感不能太大，以免難以進(jìn)行諧振電路中電容的匹配；又要保持每個(gè)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(yīng)強(qiáng)度使標(biāo)簽感應(yīng)到足夠的感應(yīng)電壓。所以小線圈的連接不能使用單一的串聯(lián)或并聯(lián)方式，而是要采用串并結(jié)合的方式，使總電感在允許的范圍內(nèi)和每個(gè)小線圈有足夠大的電流強(qiáng)度。

圖1 組合線圈天線原理示意圖

　　由于縮小了單個(gè)線圈的面積，從而繞制線圈的匝數(shù)可以增加，且線圈中心與通電導(dǎo)體的距離也有所減小。這些設(shè)計(jì)保證了線圈中心有較強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，避免出現(xiàn)閱讀盲區(qū)。組合線圈的電路原理圖如圖1所示。

　　3 智能化藥箱閱讀器多屜天線的設(shè)計(jì)

　　在設(shè)計(jì)基于RFID技術(shù)的智能藥箱系統(tǒng)時(shí)，我們采用了13．56 MHz電感耦合式RnD系統(tǒng)。由于戰(zhàn)備藥箱是一個(gè)58 cm×50 cm×62 cm 的箱體，內(nèi)部分為2～3層，可以放置較多的藥品。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)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(shí)，該天線僅能正確讀出37 cm×27 cm×40 cm的區(qū)域內(nèi)的標(biāo)簽(天線說(shuō)明書(shū)的標(biāo)稱(chēng)值)，即在中小電流工作的情況下，閱讀器天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)不能覆蓋整個(gè)箱體。所以采用單個(gè)閱讀器天線勢(shì)必出現(xiàn)藥箱內(nèi)某些局部的藥品不能被正確讀出。采用多個(gè)天線需要添加協(xié)調(diào)多個(gè)天線的控制電路，增加了閱讀器閱讀標(biāo)簽的時(shí)間和系統(tǒng)的成本。

　　因此。我們采用上述天線的設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)成用4個(gè)小線圈組成的組合線圈來(lái)覆蓋整個(gè)抽屜底部，線圈采用串并結(jié)合的方式進(jìn)行連接。這樣形成的天線在Agilent矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上測(cè)得該天線在13．56 MHz的諧振頻率上反射系數(shù)低于-30 dB．如圖2所示。

圖2 Agilent矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得的組合線圈的天線的反射系數(shù)曲線

　　在實(shí)驗(yàn)中還測(cè)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(biāo)簽和大部分放置在藥箱抽屜上層的標(biāo)簽。

　　在設(shè)計(jì)智能戰(zhàn)備藥箱系統(tǒng)時(shí)，我們采用了按照本文提出的天線設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的天線來(lái)逐層覆蓋藥箱抽屜。如上所述本文的天線設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的天線僅可閱讀部分放置在藥箱抽屜上層的藥品上的標(biāo)簽．單層天線無(wú)法實(shí)現(xiàn)整個(gè)抽屜內(nèi)部的覆蓋。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們采用了4個(gè)組合線圈天線來(lái)覆蓋戰(zhàn)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(biāo)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(biāo)簽．依此類(lèi)推。采用這樣的方法，我們使用單個(gè)閱讀器就能夠閱讀整個(gè)藥箱內(nèi)的藥品標(biāo)簽，避免了使用多個(gè)天線時(shí)帶來(lái)的天線控制不便，也避免了由于使用多個(gè)閱讀器帶來(lái)的成本增加。

　　實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)表明，按該方案設(shè)計(jì)出來(lái)的閱讀器天線不僅擴(kuò)大了閱讀器在智能藥箱某一層抽屜平面的閱讀區(qū)域，還可覆蓋藥箱中的多層抽屜，在平面和高度兩個(gè)方面均擴(kuò)大了閱讀器的工作區(qū)域，大大提高了基于RFID技術(shù)的智能藥箱的性能。

圖3 智能戰(zhàn)備藥箱系統(tǒng)

　　4 結(jié)論

　　本文針對(duì)13．56 MHz電感耦合式RFID系統(tǒng)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(shè)計(jì)方法，通過(guò)適當(dāng)尺寸的多個(gè)小線圈的串并聯(lián)組合來(lái)構(gòu)成一個(gè)較大區(qū)域的天線線圈。由于縮小了單個(gè)線圈的面積，從而使線圈的中心有較強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，避免了出現(xiàn)閱讀盲區(qū)。通過(guò)多層、多天線的組合還可以擴(kuò)展閱讀器在垂直方向的覆蓋范圍。實(shí)際瀏試數(shù)據(jù)表明，采用所設(shè)計(jì)的天線，可以準(zhǔn)確識(shí)讀藥箱內(nèi)各屜藥品RFID標(biāo)簽。且有利于降低藥箱RFID系統(tǒng)成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。