廖曉東, 余自鋒, 王建華

(福建師范大學(xué) 醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州 350007) (福建師范大學(xué) 福建省光子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州 350007)

雙驅(qū)動(dòng)端口的中高頻 RFID雙層天線設(shè)計(jì)①

廖曉東, 余自鋒, 王建華

(福建師范大學(xué) 醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州 350007) (福建師范大學(xué) 福建省光子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州 350007)

為了提升天線線圈在空間中產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度, 提出一種雙驅(qū)動(dòng)端口的雙層天線方案. 首先, 從理論出發(fā)介紹了設(shè)計(jì)雙層天線時(shí)應(yīng)該考慮的各個(gè)參數(shù); 其次, 改變雙層天線的參數(shù), 通過(guò)三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS進(jìn)行建模仿真, 探究?jī)删€圈的匝數(shù)、間距、半徑以及相對(duì)位置對(duì)雙層天線的影響; 最后, 對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析, 找出了最優(yōu)的雙層天線設(shè)計(jì)方案, 對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)的中高頻 RFID讀寫器天線具有一定的參考價(jià)值.

RFID; 雙驅(qū)動(dòng)端口; 雙層天線; 磁場(chǎng)強(qiáng)度; HFSS

1 引言

Radio Frequency Identification(射頻識(shí)別技術(shù))簡(jiǎn)稱RFID, 是一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象的非接觸式的無(wú)線電信息技術(shù). RFID系統(tǒng)包括電子標(biāo)簽(Tag)、讀寫器(Reader)和應(yīng)用系統(tǒng)(Application System)這三個(gè)部分, 該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于收費(fèi)、物流、門禁控制、圖書館管理等領(lǐng)域[1,2]. 各領(lǐng)域?qū)τ诓捎秒姼旭詈戏绞焦ぷ鞯闹懈哳lRFID系統(tǒng), 均要求系統(tǒng)的識(shí)別距離盡可能的遠(yuǎn)以及對(duì)目標(biāo)對(duì)象識(shí)別的靈敏度盡可能的高, 而這就需要RFID系統(tǒng)的讀寫器天線產(chǎn)生的足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度. 因此, 必須對(duì)RFID讀寫器天線進(jìn)行研究.

在目前已公開的文獻(xiàn)和專利中, 對(duì)于讀寫器天線的研究有: 文獻(xiàn)[3]為了找到最優(yōu)的天線線圈設(shè)計(jì), 研究其在面積限定時(shí)場(chǎng)強(qiáng)的變化情況; 文獻(xiàn)[4,5]為了充分的利用線圈上下平面的空間, 對(duì)天線的雙層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究; 文獻(xiàn)[6]為了提升天線中央位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度,在天線線圈環(huán)繞的平面內(nèi)串聯(lián)多個(gè)多匝線圈; 文獻(xiàn)[7]為了增強(qiáng)無(wú)線傳輸系統(tǒng)中接收線圈所接收的能量, 提出采用多個(gè)發(fā)射機(jī)共同作用于接收端的方法, 并研究了發(fā)射端線圈之間的耦合損耗.

本文基于13.56MHz(中高頻段的典型頻率)這一特定頻率, 提出一種雙驅(qū)動(dòng)端口的雙層天線, 探究線圈的匝數(shù)、上下兩線圈之間的距離, 線圈的半徑以及兩線圈的相對(duì)位置對(duì)雙層天線場(chǎng)強(qiáng)的影響.

2 理論解析

當(dāng)兩個(gè)通有交變電流的導(dǎo)體靠的很近的時(shí)候, 兩個(gè)導(dǎo)體各自都會(huì)受到另一個(gè)靠近導(dǎo)體的影響, 這種鄰近導(dǎo)體產(chǎn)生的現(xiàn)象稱為鄰近效應(yīng)(Proximate effect). 對(duì)于鄰近效應(yīng), 當(dāng)交變電流的頻率越高并且兩導(dǎo)體靠的越近時(shí), 該效應(yīng)的效果越顯著, 它會(huì)使得導(dǎo)體中的電流分布不均勻, 產(chǎn)生額外的損耗.

目前, 已經(jīng)有大量的文獻(xiàn)對(duì)單端端口驅(qū)動(dòng)的天線以及為天線添加諧振線圈等方面進(jìn)行了研究, 但由于鄰近效應(yīng)的存在, 對(duì)于雙端口或多端口驅(qū)動(dòng)天線的研究相對(duì)較少, 本文將對(duì)雙驅(qū)動(dòng)端口的雙層天線進(jìn)行初步的研究, 旨在找出該雙層天線的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案.

2.1 磁耦合

本文研究的雙層天線由兩個(gè)環(huán)形線圈組成, 而兩個(gè)線圈之間由于高頻交變電流的存在使得兩線圈相互感應(yīng), 設(shè)兩線圈為同軸線圈如圖1所示, 則它們之間的互感M應(yīng)用諾以曼公式[7]有:

圖1 兩圓線圈的互感求解

其中, 圓線圈1、2的周長(zhǎng)(一匝時(shí))分別為l1、l2, l1、l2在圓線圈任取的兩個(gè)線元分別為用極坐標(biāo)描述兩線元的夾角為θ, N1、N2分別為兩圓線圈的匝數(shù).

由于線圈在通過(guò)中高頻交變電流時(shí), 其線圈本身也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電感阻礙線圈的電流的變化, 對(duì)于圖1所示的圓線圈它們的電感值可用如下公式計(jì)算[8]:

設(shè)流過(guò)兩個(gè)圓線圈的電流分別為I1、I2, 兩電流的流向相同, 則由互感元件的伏安關(guān)系可知, 兩個(gè)線圈所經(jīng)過(guò)的總磁鏈為:

式(3)中的互感值: M12=M21=M. 線圈總的電感值L為:

互感系數(shù)K: 該系數(shù)是為了更簡(jiǎn)便和更準(zhǔn)確的看出兩個(gè)線圈之間的耦合程度而設(shè)定的物理量. 當(dāng)兩個(gè)線圈之間的相互感應(yīng)為無(wú)漏磁的互感時(shí), 互感量M達(dá)到最大值而實(shí)際的設(shè)計(jì)中M是小于的, 故需要用互感系數(shù)K去描述線圈的耦合程度, K為,

2.2 寄生電容

在中高頻條件下, 電感、電阻、導(dǎo)線以及線圈等元器件之間表現(xiàn)出電容特性, 這些分布的電容稱為寄生電容.

對(duì)于電容C, 它的定義為:

其中, ε為介電常數(shù), 它是由電容的極板間的介質(zhì)決定;兩個(gè)極板的正對(duì)面積為S; k是靜電力常量; d為兩個(gè)極板之間的距離. 由式(6)可知, 在介質(zhì)確定的情況下, 對(duì)電容值大小影響最大的是極板間的距離以及其正對(duì)面積.

2.3 頻率偏移

線圈在中高頻段上時(shí), 線圈不僅具備了電阻, 還呈現(xiàn)出不同程度的容抗和感抗, 當(dāng)線圈處在某一頻率時(shí), 其所具備的容抗和感抗相等, 如式(7)所示, 則稱這一頻率為該線圈的自諧振頻率.

由式(7)可得自諧振頻率f為:

對(duì)于式(8)提到的自諧振頻率f, 它與線圈的電感以及電容相關(guān), 當(dāng)其電容或者電感發(fā)生變化時(shí)都能引起自諧振頻率的大小發(fā)生改變, 這種自諧振頻率大小發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為頻率偏移現(xiàn)象.

2.4 S參數(shù)

S參數(shù)就是信號(hào)傳輸中需要考慮的散射參數(shù). 該參數(shù)主要用于評(píng)估信號(hào)傳輸時(shí)反射信號(hào)和傳送信號(hào)的性能. 對(duì)于雙驅(qū)動(dòng)端口的網(wǎng)絡(luò), 兩端口設(shè)為1、2, 則S11、S21、S12、S22分別代表端口1與端口2在傳輸信號(hào)時(shí), 兩個(gè)端口自己對(duì)自己以及它們之間相互作用的傳輸系數(shù), 這些參數(shù)都是描述線圈天線阻抗匹配好壞程度的參數(shù). 例如: S11表示端口1傳輸信號(hào)時(shí), 其輸入信號(hào)對(duì)該端口的輸入反射系數(shù), 即為輸入信號(hào)的回波損耗, 表示有多少能量被反射回端口1.

回波損耗(dB)為入射功率與反射功率之間的比值.設(shè)計(jì)時(shí), 回波損耗的值越小越好, 要小于0.1, 也就是損耗要小于-20dB.

3 天線線圈的設(shè)計(jì)

3.1 天線線圈Q值的計(jì)算

品質(zhì)因子Q值表示電感線圈的損耗性能, 天線的品質(zhì)因子Q由下面的公式定義[9]:

式(9)中,ω=2πf,f為諧振頻率; R為天線等效電阻; L為天線的等效電感.

3.2 天線匹配電路的設(shè)計(jì)

如圖2, 采用[10]串聯(lián)分壓式的匹配電路.

圖2 串聯(lián)分壓式的匹配電路

其中Rant為天線等效電阻,Rext為外加的串聯(lián)電阻,Lant為天線的等效電感, 串聯(lián)分壓式匹配電路中電容計(jì)算如下:

4 雙層天線線圈的建模與結(jié)果分析

現(xiàn)今, 對(duì)于工作在13.56MHz頻段的RFID讀寫器天線設(shè)計(jì), 鑒于其實(shí)際的制作方法是在PCB板(單層或多層)平面上制作, 由于天線線圈各個(gè)參數(shù)的細(xì)微改變都將引起其匹配電路設(shè)計(jì)的參數(shù)發(fā)生改變, 并且在實(shí)際中對(duì)于天線線圈是否完全匹配以及求解其回波損耗、駐波比等等都需要進(jìn)行大量的測(cè)量和驗(yàn)證, 故本文運(yùn)用業(yè)界認(rèn)可的三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS模擬其實(shí)際的工作環(huán)境, 對(duì)其進(jìn)行建模仿真, 既節(jié)省工作量又能使結(jié)果更可視化.

在HFSS中, 天線的基板選用玻璃布基板FR-4,為了使設(shè)計(jì)的天線能夠運(yùn)用到實(shí)際中, 天線線圈的厚度為0.05mm(PCB板上銅箔的厚度), 線圈材質(zhì)選用銅箔. 天線的Q值設(shè)為30, 天線線圈電感的取值一般在1～2uH[11], 端口的輸入功率統(tǒng)一設(shè)置為3.3W, 采用快速掃描方式對(duì)該天線進(jìn)行仿真. 為了方便設(shè)計(jì)天線線圈的匹配電路, 將上下兩層天線的模型(形狀、大小,線間距等)設(shè)計(jì)成一樣的. 仿真時(shí), 采用控制變量法,探究線圈匝數(shù)、線圈半徑、兩線圈的間距以及相對(duì)位置對(duì)雙端口驅(qū)動(dòng)的雙層天線的影響.

4.1 匝數(shù)對(duì)雙層天線的影響

由于線圈的匝數(shù)對(duì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響很大, 故首先研究匝數(shù)改變時(shí), 雙層天線產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)變化規(guī)律.保持上下兩層線圈的間距1mm不變(PCB板的厚度),兩個(gè)線圈同軸, 線圈的最外圈半徑為恒定值24mm,天線線寬為0.85mm, 同一個(gè)線圈中相鄰的天線走線之間的距離為0.15mm, 線圈的匝數(shù)由1匝遞增變化至8匝, 圖3為2匝時(shí)雙層線圈的結(jié)構(gòu), 通過(guò)HFSS軟件對(duì)這八種線圈的自身電感和互感進(jìn)行仿真分析, 結(jié)果如表1所示.

表1 匝數(shù)不同時(shí), 線圈電感值及諧振頻率的大小

圖3 雙驅(qū)動(dòng)雙端口的雙層天線(2匝)

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)和式子(4)可得, 天線線圈的匝數(shù)在1匝處, 不論是單層還是多層, 其總的電感值很小在0.2uH左右(電感值太小), 并且它的諧振頻率高達(dá)552MHz(頻率太大, 匹配電路難設(shè)計(jì)); 而當(dāng)天線線圈的匝數(shù)大于等于5匝時(shí), 對(duì)于雙層天線來(lái)說(shuō), 其總的電感值接近4uH(偏大, 匹配電路難設(shè)計(jì)且損耗也大). 因此,對(duì)于雙層天線線圈, 取線圈匝數(shù)為2匝、3匝、4匝進(jìn)行仿真設(shè)計(jì), 通過(guò)軟件HFSS中的場(chǎng)計(jì)算器對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行處理, 探究距離線圈平面5mm處的場(chǎng)強(qiáng)變化情況,計(jì)算的數(shù)據(jù)以及各個(gè)線圈的匹配參數(shù)如表2所示.

表2 線圈參數(shù)

由表2可知, 在理想的仿真環(huán)境中, 用雙倍能量激勵(lì)天線線圈產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)正好是正常激勵(lì)的兩倍; 當(dāng)匝數(shù)為2匝時(shí), 雙層天線的總場(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng); 雙層天線的匹配電容比單層天線的小(雙層天線的寄生電容值大),并且電容隨著匝數(shù)的增加而減小.

4.2 線圈半徑對(duì)雙層天線的影響

根據(jù)式(1)可知, 兩個(gè)線圈的半徑會(huì)對(duì)線圈的互感產(chǎn)生影響, 而互感發(fā)生變化時(shí), 雙層天線產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)改變, 故需要對(duì)雙層天線的半徑進(jìn)行研究, 分析半徑改變時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)變化規(guī)律. 保持上下兩層線圈的間距1mm不變(PCB板的厚度), 天線線寬為0.85mm, 同一個(gè)線圈中相鄰的天線走線之間的距離為0.15mm, 兩個(gè)線圈同軸, 線圈的匝數(shù)取2、3、4, 線圈的最外圈半徑取20mm、22mm、24mm、26mm、28mm, 通過(guò)HFSS軟件對(duì)這15種線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析, 結(jié)果如表3所示.

表3 各線圈的平均場(chǎng)強(qiáng)及耦合系數(shù)

從表3的數(shù)據(jù)可以看出, 當(dāng)雙層天線線圈的半徑發(fā)生變化時(shí), 對(duì)于不同半徑的雙層天線, 其匝數(shù)的優(yōu)化與4.1中的分析是相似的, 不論半徑怎么改變, 雙層天線的匝數(shù)均取2為最優(yōu). 從表3中還可以得出, 雙層天線的耦合系數(shù)隨著天線半徑的增加而增大. 圖4和圖5是半徑為24mm的單雙層天線線圈的場(chǎng)強(qiáng)分布圖.

圖4 單層時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)分布圖(2匝)

圖5 雙層時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)分布圖(2匝)

將圖4和圖5進(jìn)行對(duì)比, 可以得出雙驅(qū)動(dòng)端口的雙層天線其整體的磁場(chǎng)強(qiáng)度得到了很大的提升.

4.3 兩線圈的間距對(duì)雙層天線的影響

從上述分析可知, 天線線圈的匝數(shù)取2為最好,故探究上下兩層線圈的間距對(duì)線圈場(chǎng)強(qiáng)的影響時(shí), 匝數(shù)取2, 兩線圈依然同軸, 線圈的最外圈半徑仍舊保持24mm不變, 天線線寬為0.85mm, 同一個(gè)線圈中相鄰的天線走線之間的距離為0.15mm, 上下兩層線圈之間的距離由1mm遞增變化至50mm, 通過(guò)HFSS仿真,研究?jī)蓚€(gè)線圈間距逐漸增加時(shí), 它們之間的相互影響,如圖6中的dB損耗的變化值所示, 表示的是底層線圈對(duì)上層線圈的影響.

由圖6可知, 隨著間距的增加, dB損耗值在逐漸的減小, 即隨著線圈之間距離的增加, 底層天線線圈對(duì)上層線圈的影響也越來(lái)越小. 雖然當(dāng)線圈之間的距離大于5mm時(shí), 線圈的dB損耗值小于-20dB, 但是間距的增加, 不適合實(shí)際中的天線設(shè)計(jì)(PCB板的厚度有要求), 并且底層線圈與上層線圈在空間中產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度(兩個(gè)的疊加)也將減弱, 故對(duì)于兩線圈間距的選擇, 選擇實(shí)際中PCB板默認(rèn)的厚度, 為1mm.

圖6 dB損耗圖

4.4 兩線圈的相對(duì)位置對(duì)雙層天線的影響

對(duì)于式(1)中的諾以曼公式, 其互感M計(jì)算是建立在兩個(gè)線圈是同軸的前提下, 并未對(duì)非同軸線圈的互感進(jìn)行描述和計(jì)算. 下面就針對(duì)兩線圈的非同軸的情況進(jìn)行仿真, 分析當(dāng)相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí), 雙層天線的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化規(guī)律. 保持上下兩層線圈的間距1mm不變(PCB板的厚度), 線圈的最外圈半徑為恒定值24mm, 天線線寬為0.85mm, 同一個(gè)線圈中相鄰的天線走線之間的距離為0.15mm, 雙層天線線圈的匝數(shù)取2(由4.1、4.2、4.3的仿真分析可知2匝時(shí)最優(yōu)), 改變上下兩層天線線圈的軸間距大小, 間距從1mm遞增至5mm, 通過(guò)HFSS軟件對(duì)這5種線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析, 結(jié)果如表4所示.

表4 相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度

通過(guò)表4可以看出, 當(dāng)雙層天線的上下兩線圈軸線距離逐漸增大時(shí), 該雙層天線產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化規(guī)律是先增強(qiáng)后減弱. 原因分析: 由于兩線圈的耦合程度是逐漸降低的, 這說(shuō)明上下兩線圈的耦合損耗也是逐漸減小的, 故剛開始場(chǎng)強(qiáng)有相應(yīng)的增強(qiáng), 但是隨著軸線間距的增加, 兩線圈相對(duì)部分之外有一部分產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向是相反的, 相互抵消了, 如圖7所示,紅色箭頭所指的空白部分就是磁場(chǎng)相互抵消的部分,隨著間距的繼續(xù)增大, 磁場(chǎng)抵消的部分越來(lái)越大, 當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)減弱的部分大于增強(qiáng)的時(shí), 整體場(chǎng)強(qiáng)開始減弱.所以, 雙驅(qū)動(dòng)端口的雙層天線的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化規(guī)律是先增強(qiáng)后減弱的, 最優(yōu)的間距為3mm.

圖7 相對(duì)位置發(fā)生變化的雙層天線

5 結(jié)語(yǔ)

為了提升天線線圈在空間中產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度, 使天線線圈的識(shí)別距離變遠(yuǎn), 本論文提出一種雙驅(qū)動(dòng)端口的雙層天線方案. 通過(guò)三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)其進(jìn)行建模仿真, 探究了兩線圈的匝數(shù)、間距、半徑以及相對(duì)位置對(duì)該雙層天線的影響, 利用HFSS中的場(chǎng)計(jì)算器對(duì)仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 得出當(dāng)雙驅(qū)動(dòng)端口的雙層天線匝數(shù)取2且兩線圈軸線相距3mm時(shí), 天線整體的磁場(chǎng)強(qiáng)度得到很大程度的提升,所以此時(shí)的設(shè)計(jì)為最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案. 本論文的設(shè)計(jì)可以為后續(xù)研究中高頻(或者其典型頻率13.56MHz)RFID讀寫器天線的人員提供一些參考.

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Design of Medium-High Frequency RFID Double-Layer Antenna with Two Drive Ports

LIAO Xiao-Dong, YU Zi-Feng, WANG Jian-Hua
(Key Laboratory of OptoElectronic Science and Technology for Medicine of Ministry of Education, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China ) (Fujian Provincial Key Laboratory of Photonics Technology, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China )

In order to enhance the magnetic field strength of antenna coil in space, this paper proposes a method of double-layer antenna with two drive ports. First of all, this paper introduces each parameter which should be considered in the view of theory. Secondly, we change the parameters of the double-layer antenna, model and simulate it with the 3D electromagnetic simulation software Ansoft HFSS. Then, the influence of the coil number, the coil spacing, radius and the relative position of two coils on the double-layer antenna is researched. Finally, the simulate results show that the optimal design of double-layer antenna is found out and it is meaningful to the actual design of the antenna in medium-high frequency RFID reader systems.

RFID; two drive ports; double-layer antenna; the magnetic field strength; HFSS

福建省教育廳項(xiàng)目(JB12039)

2016-03-14;收到修改稿時(shí)間:2016-04-27

10.15888/j.cnki.csa.005491