丁可柯,林 宏,陳 蓉,劉蕾蕾
(南京郵電大學(xué) a.電子科學(xué)與技術(shù)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心;b.電子與光學(xué)工程學(xué)院、柔性電子(未來(lái)技術(shù))學(xué)院,江蘇 南京 210042)
串聯(lián)諧振電路實(shí)驗(yàn)是基于電路分析理論的經(jīng)典驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)[1-2]. 傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振電路實(shí)驗(yàn)以低頻電路諧振參量測(cè)試和驗(yàn)證為主,測(cè)試形式固定,與工程應(yīng)用結(jié)合度不高,不易提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.
柔性電子[3]與生物科學(xué)和可穿戴設(shè)備緊密相關(guān),是未來(lái)電子技術(shù)的發(fā)展方向之一,也是目前我校雙一流建設(shè)和專業(yè)建設(shè)的重點(diǎn)建設(shè)方向. 結(jié)合柔性電子專業(yè)的發(fā)展方向,本文對(duì)串聯(lián)諧振電路實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行改革,采用柔性線圈代替?zhèn)鹘y(tǒng)電感,在串聯(lián)諧振電路的測(cè)試基礎(chǔ)上,引入柔性線圈的仿真與設(shè)計(jì)、柔性線圈形變對(duì)諧振的影響測(cè)試和應(yīng)用場(chǎng)景下柔性線圈的調(diào)諧與修正,將基礎(chǔ)串聯(lián)諧振電路實(shí)驗(yàn)拓展至柔性電子應(yīng)用,引導(dǎo)學(xué)生建立柔性電路概念,促使學(xué)生對(duì)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)工具和方法有進(jìn)一步的了解,從而培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力.
圖1(a)所示為RLC串聯(lián)電路. 當(dāng)回路為純阻性電路,端電壓和電流同相位時(shí),電路發(fā)生諧振,此時(shí)回路電流達(dá)到最大值,諧振曲線如圖1(b)所示.
(a)RLC串聯(lián)電路
串聯(lián)諧振電路的典型參量主要包括諧振頻率(fo)、半功率(f1,f2)、品質(zhì)因數(shù)(Q)等,其中電路的品質(zhì)因數(shù)越高,電路頻率的選擇性越強(qiáng)[4]. 現(xiàn)行的串聯(lián)諧振電路實(shí)驗(yàn)多采用封裝好的繞線電感,配合阻容元件進(jìn)行諧振測(cè)試,擴(kuò)展指標(biāo)中改變阻容元件值,觀測(cè)不同品質(zhì)因數(shù)下特性曲線的變化[1]. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生不易建立電感元件與實(shí)際器件結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系,也較難理解品質(zhì)因數(shù)等參量與應(yīng)用指標(biāo)之間的關(guān)系.
柔性線圈[5-6]是柔性基底材料上的平面電感線圈. 柔性線圈具有良好的柔韌性,可實(shí)現(xiàn)彎曲、拉伸、折疊甚至變形. 柔性線圈的自感、損耗電阻主要由線圈的面積、匝數(shù)、走線寬度、間距寬度、基底材料和金屬材料等決定[7]. 借助電磁仿真軟件HFSS[8],可以對(duì)柔性線圈進(jìn)行仿真分析.
以基底材料為聚酰亞胺的矩形柔性線圈為例,如圖2所示. 線圈的匝數(shù)為3,線圈長(zhǎng)lx=70 mm,線圈寬ly=50 mm,走線寬度W=1 mm,線圈間距S=1 mm,金屬材料為銅時(shí),仿真得到該線圈在頻率f=13.56 MHz處的端口等效電感為1.14 μH,損耗電阻為1.26 Ω,與實(shí)測(cè)值的1.21 μH,1.39 Ω相近. 仿真與實(shí)測(cè)的差異主要由基底材料和金屬層厚度等因素導(dǎo)致.
圖2 柔性線圈示意圖
通過(guò)仿真可以得到柔性線圈結(jié)構(gòu)參量與等效電感L、損耗電阻Rcoil的關(guān)系如圖3所示. 從圖3中可以看出:線圈電感L隨線圈間距S和走線寬度W的減小而增加,隨線圈面積的增加而增加;損耗電阻Rcoil隨走線寬度W的減小、線圈長(zhǎng)度lx的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢(shì).
(a) L隨S和W的變化(lx=70 mm,ly=50 mm)
特別地,當(dāng)柔性線圈彎曲時(shí),產(chǎn)生的電磁場(chǎng)受到曲率半徑的影響,其自感呈現(xiàn)規(guī)律性變化[6].
由于柔性線圈可很好地貼于物體表面,且線圈電感對(duì)結(jié)構(gòu)、曲率變化敏感,所以柔性線圈常作為柔性電子器件,應(yīng)用于可穿戴設(shè)備中[9-14],通過(guò)藍(lán)牙或近場(chǎng)通信(Near field communication,NFC)[7]實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程生理信號(hào)、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息的監(jiān)測(cè),如圖4所示.
圖4 柔性線圈在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用
將柔性線圈與外部電容調(diào)諧并接入無(wú)線射頻識(shí)別(RFID)芯片后,可用作柔性電子標(biāo)簽,與NFC讀寫器進(jìn)行能量和數(shù)據(jù)的傳輸,實(shí)現(xiàn)NFC近場(chǎng)通信. 與傳統(tǒng)硬質(zhì)NFC標(biāo)簽相比,柔性標(biāo)簽具有質(zhì)地薄、柔韌性強(qiáng)、與多種材料兼容等優(yōu)點(diǎn),成為電子標(biāo)簽行業(yè)主要發(fā)展趨勢(shì)之一.
結(jié)構(gòu)框圖及等效電路如圖5所示,其中L和Rcoil為柔性線圈的等效電感和損耗電阻,Ccoil為寄生電容,Cres為外部調(diào)諧電容,Cin為射頻NFC芯片的端口電容. 根據(jù)電容并聯(lián)等效原理,等效電路可近似為串聯(lián)諧振電路,其諧振頻率滿足:
(a)結(jié)構(gòu)框圖
(1)
在柔性線圈結(jié)構(gòu)確定,射頻芯片端口電容已知的情況下,通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)諧電容Cres,可以使回路工作在指定的諧振頻率下,與NFC讀寫器實(shí)現(xiàn)識(shí)別和讀寫. 柔性線圈作為NFC系統(tǒng)的核心部分,其品質(zhì)因數(shù)Q可直接決定系統(tǒng)的識(shí)別距離.
根據(jù)上述原理,設(shè)計(jì)了基于柔性線圈的串聯(lián)諧振實(shí)驗(yàn),采用柔性線圈代替串聯(lián)電路中的電感,在完成串聯(lián)諧振電路諧振參量測(cè)試時(shí),引入電磁仿真,讓學(xué)生明確線圈實(shí)物與電路參量的聯(lián)系;增加線圈形變測(cè)試,讓學(xué)生建立柔性器件的理念;配合NFC的調(diào)諧和讀寫驗(yàn)證,讓學(xué)生直觀地感受諧振電路的工程應(yīng)用. 整個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)包含預(yù)習(xí)要求、基本任務(wù)和擴(kuò)展任務(wù)3部分,如圖6所示.
圖6 基于柔性線圈的串聯(lián)諧振電路實(shí)驗(yàn)任務(wù)
在此階段,學(xué)生需要完成慕課堂、柔性線圈的HFSS電磁仿真和串聯(lián)諧振電路的Multisim仿真的學(xué)習(xí),并撰寫預(yù)習(xí)報(bào)告. HFSS電磁仿真中,學(xué)生需對(duì)給定的柔性線圈建模,通過(guò)電磁分析端口阻抗計(jì)算出線圈的等效電感和損耗電阻,并調(diào)節(jié)柔性線圈的線寬、匝數(shù)和間距等結(jié)構(gòu)參量,了解線圈等效電參量與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系(見(jiàn)圖3). Multisim電路仿真中,學(xué)生需搭建柔性線圈與電容電阻的串聯(lián)諧振電路,調(diào)節(jié)電容使電路諧振于13.56 MHz,仿真測(cè)量電路的諧振曲線半功率點(diǎn)f1和f2,計(jì)算品質(zhì)因數(shù)Q,分析不同線圈結(jié)構(gòu)下,線圈電參量變化對(duì)品質(zhì)因數(shù)的影響,如圖7所示.
(a)Multisim仿真示意圖
實(shí)驗(yàn)的基本任務(wù)包含:
1)采用RLC測(cè)試儀測(cè)量柔性線圈的等效電感,搭建柔性線圈和電阻、電容的串聯(lián)諧振電路.
2)使用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和示波器測(cè)量電路的諧振頻率和半功率點(diǎn),采用2種方法計(jì)算電路的品質(zhì)因數(shù)Q值,并比較不同方法測(cè)量Q值的誤差及產(chǎn)生的原因,繪制出諧振曲線[1].
3)將柔性線圈依次粘貼在半徑大小不同的泡沫圓柱上,使線圈產(chǎn)生彎曲形變. 使用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和示波器測(cè)量電路的諧振頻率,分析形變對(duì)諧振參量的影響,繪制出如圖8所示的諧振頻率fo隨曲率半徑r的變化曲線.
圖8 柔性線圈形變對(duì)電路諧振頻率的影響分析(lx=70 mm,ly=50 mm,W=1 mm,S=1 mm)
4)接入RFID芯片,配合NFC讀寫器,進(jìn)行讀寫驗(yàn)證.
在分析和測(cè)試柔性線圈的基礎(chǔ)上,學(xué)有余力的學(xué)生可進(jìn)行柔性線圈的設(shè)計(jì)制作、調(diào)諧和NFC讀寫測(cè)試. 步驟可總結(jié)為:
1)根據(jù)設(shè)計(jì)條件和應(yīng)用環(huán)境,利用平面電感經(jīng)驗(yàn)公式[15],初步確定線圈的尺寸、形狀、匝數(shù)、線寬和間距.
2)借助HFSS仿真軟件,對(duì)線圈在柔性基底上的特性進(jìn)行仿真分析,并根據(jù)設(shè)計(jì)需求調(diào)節(jié)線圈的結(jié)構(gòu)參量.
3)采用菲林片打印和導(dǎo)電銀膠繪制的方式在薄膜基底上制作柔性線圈,并接入調(diào)諧電容.
4)接入RFID芯片,微調(diào)調(diào)諧電容,使之在13.56 MHz下工作,配合NFC讀寫器進(jìn)行讀寫測(cè)試,并通過(guò)對(duì)比不同設(shè)計(jì),了解柔性線圈面積、匝數(shù)、品質(zhì)因數(shù)對(duì)識(shí)別距離的影響.
本實(shí)驗(yàn)是我校電工電子實(shí)驗(yàn)課程中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,課內(nèi)學(xué)時(shí)為3學(xué)時(shí). 為了獲得較好的學(xué)習(xí)效果,也為了充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性,實(shí)驗(yàn)借鑒翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式,依照課前預(yù)習(xí)、課中實(shí)踐和課后鞏固3個(gè)階段開展混合式[16]實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,如圖9所示.
圖9 混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式
教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)提前1周通過(guò)慕課堂發(fā)布教學(xué)視頻,提供教學(xué)文檔,布置實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)任務(wù). 教學(xué)視頻具體講解串聯(lián)諧振電路的構(gòu)成及工作原理、實(shí)驗(yàn)分析和測(cè)量方法,教學(xué)文檔則用于指導(dǎo)HFSS軟件仿真分析柔性線圈的參量,引導(dǎo)學(xué)生理解抽象元件與實(shí)際器件的對(duì)應(yīng)關(guān)系.
學(xué)生自主學(xué)習(xí),明確實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求,并根據(jù)自身情況完成課前預(yù)習(xí)任務(wù)中的模型仿真和設(shè)計(jì)制作,并撰寫預(yù)習(xí)報(bào)告.
教師從柔性電子和可穿戴技術(shù)背景引出本實(shí)驗(yàn)的對(duì)象——柔性線圈,介紹柔性線圈的特點(diǎn)及其在串聯(lián)諧振實(shí)驗(yàn)中的測(cè)試要點(diǎn)和注意事項(xiàng);根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況,對(duì)概念模糊的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充講解;幫助學(xué)生解決理論應(yīng)用到具體電路測(cè)試中所遇到的問(wèn)題;對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行評(píng)定.
學(xué)生根據(jù)預(yù)習(xí)內(nèi)容將仿真電路轉(zhuǎn)變成實(shí)際電路,進(jìn)行諧振參量測(cè)試和柔性形變對(duì)電路諧振參量影響測(cè)試. 在此基礎(chǔ)上,通過(guò)讀卡器測(cè)試設(shè)計(jì)制作的柔性線圈性能.
教師主要完成線上報(bào)告的批閱評(píng)議工作. 學(xué)生撰寫報(bào)告,總結(jié)串聯(lián)諧振電路的特性,分析線圈結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)諧振的影響,討論提高柔性線圈品質(zhì)因數(shù)的方法,思考柔性襯底形變等帶來(lái)的諧振頻偏的矯正方法,并對(duì)批改過(guò)的報(bào)告進(jìn)行消化和學(xué)習(xí).
目前,基于柔性線圈的串聯(lián)諧振電路實(shí)驗(yàn)已于2021年和2022年完成了2個(gè)學(xué)年的實(shí)驗(yàn)試點(diǎn)教學(xué). 有128名大二學(xué)生順利完成了該實(shí)驗(yàn)任務(wù),基本任務(wù)的完成率為100%,擴(kuò)展指標(biāo)的完成率為9.37%,且較多學(xué)生表示愿意嘗試有挑戰(zhàn)性的擴(kuò)展任務(wù). 課后問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果顯示:70.31%的學(xué)生認(rèn)為新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提高了學(xué)習(xí)興趣,66.41%的學(xué)生認(rèn)為混合式教學(xué)模式鍛煉了自學(xué)能力.
本實(shí)驗(yàn)基于柔性線圈的串聯(lián)諧振電路搭建、諧振參量測(cè)量和數(shù)據(jù)分析等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),促使學(xué)生深入理解串聯(lián)諧振電路的構(gòu)成及工作原理;通過(guò)柔性線圈的分析、諧振調(diào)試與讀寫測(cè)試,提高了學(xué)生仿真設(shè)計(jì)軟件的使用能力、實(shí)際電路的調(diào)試能力和工程應(yīng)用能力. 與傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振實(shí)驗(yàn)相比,學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性明顯提高,學(xué)生對(duì)柔性電子器件、可穿戴生物監(jiān)測(cè)等相關(guān)前沿知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣得到了提升.