曾孝平 簡 鑫

(重慶大學(xué)通信工程學(xué)院,重慶 400030)

1.引 言

常規(guī)短距離無線通信系統(tǒng)中,天線主要類型有線圈型、微帶貼片型、偶極子型三種基本形式。其中,小于1 m的近距離應(yīng)用系統(tǒng)一般采用工藝簡單、成本低的線圈型天線,它們主要工作在中低頻;1 m以上的遠(yuǎn)距離應(yīng)用系統(tǒng)需采用微帶貼片型或偶極子型,其主要工作在高頻和微波頻段[1]。隨著短距離無線通信系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的日趨復(fù)雜,這也對發(fā)射天線的形式提出了特殊的要求,如引信能量與數(shù)據(jù)的無線實時傳輸。

2.理論分析

2.1 金屬腔體環(huán)境下發(fā)射天線的選型

特殊情況下,由于系統(tǒng)收發(fā)雙方的特殊幾何布局,使得常規(guī)應(yīng)答天線無法完成通信雙方有效的能量耦合與數(shù)據(jù)傳輸。如圖1所示,當(dāng)應(yīng)答器處于特殊金屬腔體結(jié)構(gòu)中時,若收發(fā)天線均采用直螺旋線圈,閱讀器線圈法向方向為X方向,應(yīng)答器線圈法向方向為Y方向,兩者相互垂直。根據(jù)電磁學(xué)基本原理,若采用常規(guī)的平面螺旋線圈或直螺旋線圈,閱讀器產(chǎn)生的磁場將主要沿X方向,與磁場方向正交的應(yīng)答器線圈將很難捕獲磁場中的能量與數(shù)據(jù)信息,不利于應(yīng)答器與閱讀器之間的正常通信。

然而,當(dāng)接收端應(yīng)答器天線的大小和位置相對固定時,優(yōu)化設(shè)計處于金屬腔體之外的發(fā)射天線的幾何形狀與布局可解決上述電磁耦合難的問題。若發(fā)射天線采用半圓螺旋線圈(如圖2所示),其磁場方向?qū)⑵叫杏趹?yīng)答器線圈的法向方向,應(yīng)答器線圈將可以從該磁場中有效地提取能量及數(shù)據(jù)信息。通過合理的幾何布局與天線參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計,使應(yīng)答器線圈處于發(fā)射場強(qiáng)最大位置處,還可提高發(fā)射天線工作效率,其優(yōu)越性不言而喻。

圖2 半圓螺旋線圈幾何模型

2.2 半圓螺旋線圈的幾何形式

螺旋是一種基本的三維幾何形式。一根繞在均勻柱體表面的螺旋導(dǎo)線,當(dāng)柱面展開成平面時,就變成了一條直導(dǎo)線。若向端面望去,一根螺旋投影成一個圓。因此,螺旋是結(jié)合了直線、圓、柱體的幾何形式。此外,螺旋還具有旋向,既可以是左旋,也可以是右旋[1]。如圖3所示,螺旋的幾何描述需要用到下面參量：D為螺旋的直徑;螺旋的周長C=πD;S為螺旋鄰圈之間的節(jié)距;螺旋節(jié)距的升角 α=tan-1(S/πD);L為每圈的長度;n為圈數(shù);A為螺旋的軸長,A=nS;d為螺旋導(dǎo)體線直徑(這里假設(shè)為細(xì)銅導(dǎo)線)。

圖3 直螺旋幾何表示形式

半圓螺旋是一種特殊螺旋形式(如圖2所示),它不是在柱面上(Z方向)的簡單延伸,而是在XY面、XZ面上均按圓形延伸,構(gòu)造出了一種特殊且奇妙的幾何結(jié)構(gòu)。對比圖2與圖3,半圓螺旋線圈可以看作是直螺旋線圈按圓弧在其縱深方向彎曲后形成的特殊幾何結(jié)構(gòu)。

為描述該幾何體,將其與直螺旋的幾何形式對比列出。直螺旋的幾何表示為

半圓螺旋的幾何表示為

式中,半圓螺旋幾何參數(shù)定義如下：Rb為半圓直徑;Rs為繞線直徑;k為繞線匝數(shù)。

2.3 半圓螺旋天線設(shè)計一般步驟

半圓螺旋天線的優(yōu)化設(shè)計中,待定參數(shù)有半圓直徑Rb、繞線直徑Rs、繞線匝數(shù)k和工作頻率。為了有效地選取半圓螺旋的各幾何參數(shù),一般遵循如下優(yōu)化設(shè)計流程。該流程不僅在工程項目中得到具體應(yīng)用,也為同類問題提供了可靠的設(shè)計參考。半圓螺旋天線設(shè)計的一般步驟為：

1)根據(jù)系統(tǒng)收發(fā)雙方有效工作距離,選取半圓直徑Rb和工作頻率;

2)根據(jù)收發(fā)雙方所需傳輸能量的大小,也即半圓螺旋線圈對稱面上最大場強(qiáng)大小,調(diào)節(jié)繞線匝數(shù)k以達(dá)到給定指標(biāo);

3)根據(jù)應(yīng)答器接收天線幾何尺寸,調(diào)節(jié)繞線直徑Rs,以使最大場強(qiáng)區(qū)域覆蓋整個接收天線;

4)利用步驟 1)、2)、3)優(yōu)化設(shè)計后的各幾何參數(shù),確定半圓螺旋天線在工作頻點上的輸入阻抗以設(shè)計射頻前端匹配電路。

3.實驗結(jié)果分析

3.1 仿真方法的選取

短距離無線通信系統(tǒng)中,系統(tǒng)工作波長一般遠(yuǎn)大于螺旋線圈的幾何尺寸,收發(fā)天線均可等效為電小模型,因而可采用準(zhǔn)靜態(tài)法(即靜磁場分析的畢奧-薩伐爾定理)求解感興趣區(qū)域的磁場大小。然而,準(zhǔn)靜態(tài)解法并沒有考慮線圈之間的耦合效應(yīng),尤其是當(dāng)線圈密繞時,線圈之間的耦合效應(yīng)更強(qiáng)。所以,本文以有限元解法代替?zhèn)鹘y(tǒng)準(zhǔn)靜態(tài)法,完成半圓螺旋天線的參數(shù)設(shè)計及性能分析。

3.2 半圓直徑與工作頻率的選取

實際工程項目以ISO14443B標(biāo)準(zhǔn)為依托,工作頻點為13.56 MHz;閱讀器與應(yīng)答器有效工作距離為100 mm;應(yīng)答器天線采用直螺旋天線,線圈直徑約等于40 mm,并處于特殊金屬腔體結(jié)構(gòu)中。

為驗證該工作頻點適用于所選取的半圓螺旋天線,在對半圓直徑進(jìn)行參數(shù)掃描的同時輔之以頻率掃描。參數(shù)掃描時,固定另外兩個參數(shù)：繞線直徑Rs=20 mm;繞線匝數(shù)k=40匝;線圈材質(zhì)為2 mm直徑的細(xì)銅線。

圖4、圖5分別為頻率為100 k Hz～1 MHz和1～400 MHz時,半圓螺旋對稱面上最大場強(qiáng)位置與半圓直徑Rb的關(guān)系。對比圖4、圖5可以看出：1)當(dāng)頻率較低時,各頻點曲線幾乎完全重合;這意味著：在低頻段半圓螺旋對稱面上最大場強(qiáng)位置對頻率不敏感。2)該最大場強(qiáng)位置隨著半圓直徑Rb增加,呈周期性的指數(shù)增加。3)當(dāng)Rs=20 mm、k=40匝時,Rb=200 mm附近,最大場強(qiáng)位置達(dá)到并超過100 mm,滿足實際工程項目需要;Rb=125 mm附近有一個次優(yōu)點,使有效工作距離接近100 mm.

由于頻率的繼續(xù)增加,波長持續(xù)減小,半圓螺旋天線相對于波長將成為電大模型,近區(qū)場出現(xiàn)散射情況,對稱面上的磁場隨即出現(xiàn)不規(guī)整的分布現(xiàn)象,此處略去頻率大于400 MHz的結(jié)果。

3.3 線圈匝數(shù)的選取

半圓直徑的選取過程中,較大的半圓直徑有利于半圓螺旋對稱面上最大場強(qiáng)位置距離的增加,即帶來有效工作距離的增加。然而,隨著半圓直徑的不斷增加,由于磁力線將在更廣的區(qū)域里分布,最大場強(qiáng)區(qū)域的最大場強(qiáng)值卻出現(xiàn)相應(yīng)的下降。表1展示了半圓直徑增加帶來的場強(qiáng)下降效應(yīng)。

表中：半圓直徑單位為毫米;場強(qiáng)值單位為mV/m.由表1可知：半圓直徑的增加將使最大場強(qiáng)值不斷下降。

表1 對稱面上最大場強(qiáng)值與Rb的關(guān)系(k=40)

為抑制因半圓直徑增加帶來的場強(qiáng)下降效應(yīng),可通過適當(dāng)增加繞線匝數(shù)得到緩解。然而,線圈匝數(shù)也不能無限制地增加,因為匝數(shù)增加后,各匝線圈之間的耦合加強(qiáng),可能出現(xiàn)最大場強(qiáng)區(qū)域不規(guī)整的現(xiàn)象。表2展示了繞線匝數(shù)增加對場強(qiáng)下降效應(yīng)的改善。

表2 對稱面上最大場強(qiáng)值與k的關(guān)系(Rb=200 mm)

表中,場強(qiáng)值單位為mV/m.

由表2可知：1)最大場強(qiáng)值隨著繞線匝數(shù)的增加先增加后減小;2)繞線匝數(shù)過少(＜40)時,繞線線圈無法束縛磁力線,最大場強(qiáng)值會減小;3)繞線匝數(shù)過多(＞60)時,線圈間耦合效應(yīng)將導(dǎo)致最大場區(qū)出現(xiàn)不規(guī)整現(xiàn)象,也會使最大場區(qū)場強(qiáng)減小。因此,適當(dāng)選取繞線匝數(shù)(40～60)時,場強(qiáng)減小的趨勢可得到適當(dāng)緩解;并且繞線匝數(shù)的選取應(yīng)密切聯(lián)系半圓螺旋的半圓直徑Rb來選取。

3.4 半圓螺旋對稱面上磁力線分布

經(jīng)分析,將半圓螺旋天線幾何參數(shù)定型為Rb=200 mm、k=60匝、Rs=20 mm和工作頻率為13.56 MHz,可滿足工程要求?；诖?仿真分析以了解半圓螺旋線圈的主要工作特性。

圖6為半圓螺旋線圈對稱面上磁力線分布情況。圖中每一小格是50 mm,可以發(fā)現(xiàn)：1)最大場強(qiáng)區(qū)域距離半圓螺旋約2小格,達(dá)到100 mm;2)最大場強(qiáng)覆蓋區(qū)域接近1小格,可覆蓋直徑為40 mm的直螺旋天線,滿足工程要求。因此,本文也不再對繞線半徑Rs進(jìn)行參數(shù)掃描分析;若該場強(qiáng)最大區(qū)域直徑不能覆蓋應(yīng)答器天線,還需適當(dāng)增大以滿足要求。

3.5 半圓螺旋天線的輸入阻抗特性

為了將設(shè)計好的半圓螺旋天線應(yīng)用到實際電路中,饋電時必須考慮其輸入阻抗特性,以實現(xiàn)射頻前端電路與天線的匹配,使能量傳輸最大化。

圖7、圖8分別是頻率為50 Hz～500 MHz時,半圓螺旋天線與偶極子天線輸入阻抗實部、虛部對照圖。對比圖7、圖8可以看出：1)半圓螺旋天線輸入阻抗隨頻率的增大發(fā)生較大的振蕩;該特性與偶極子天線的振蕩特性類似;2)半圓螺旋天線輸入阻抗實部遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其虛部,使其輻射功率較小,不適合用作遠(yuǎn)距離通信,但通過電感耦合卻適合近距離通信,該特性與偶極子相反。

圖6 半圓螺旋線圈對稱面上場分布

實際工程項目中需對照工作頻率標(biāo)定半圓螺旋天線輸入阻抗,并設(shè)計射頻前端匹配電路;還可在半圓螺旋天線內(nèi)加裝鐵氧體材料以提高其磁場束縛能力。

4.結(jié) 論

結(jié)合實際工程項目,設(shè)計了一款工作于13.56 MHz、有效作用距離達(dá)100 mm的短距離無線通信?發(fā)射天線——半圓螺旋天線,解決了特殊金屬環(huán)境下能量與數(shù)據(jù)一體化傳輸?shù)碾y題;并在此基礎(chǔ)上,利用有限元法求解工具ANSFOT-HFSS,詳細(xì)描述了半圓螺旋天線優(yōu)化設(shè)計過程及其主要工作特性。該文提出的新型半圓螺旋天線,可為后續(xù)科研工作提供實驗指導(dǎo)并積累先驗知識。

[1] KRAUS J D,MARHEFKA R J.天線[M].北京：電子工業(yè)出版社,2006：178-179.

[2] 楊顯清,趙家升,王 園.電磁場與電磁波[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005：341.

[3] ZIENKIEWICZ O C,TAYLOR R L.有限元方法基本原理[M].北京：清華大學(xué)出版社,2008.

[4] Makarov S N.通信天線建模與MATLAB仿真分析[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社,2006.

[5] 謝擁軍.ANSOFT HFSS基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2009.

[6] 劉國強(qiáng),趙凌志,蔣繼婭.ANSOFT工程電磁場有限元分析[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005.

[7] 紀(jì)奕才,郭景麗,劉其中.加載法向模螺旋天線的研究[J].電波科學(xué)學(xué)報,2002,17(6)：573-576+580.JI Yicai,GUO Jingli,LIU Qizhong.The loaded normal mode helical antennas[J].Chinese Journal of Radio Science,2002,17(6)：573-576+580.(in Chinese)

[8] 劉庭華,章文勛.一種新型的GSM/DCS印刷貼片天線單元[J].電波科學(xué)學(xué)報,2004,19(2)：171-175.LIU Tinghua,ZHANG Wenxun.A novel GSM/DCS printed patch antenna element[J].Chinese Journal of Radio Science,2004,19(2)：171-175.(in Chinese)

[9] 丁 君,張 勇,袁國靖.一種GSM寬帶雙頻外置螺旋天線的設(shè)計與制作[J].電波科學(xué)學(xué)報,2006,21(2)：298-301.DING Jun,ZHANG Yong,YUAN Guojing.Design and fabricating of GSM broadband dual-frequency exterior helix antennas[J].Chinese Journal of Radio Science,2006,21(2)：298-301.(in Chinese)