雙驅(qū)動端口的中高頻 RFID雙層天線設(shè)計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)教育部重點實驗室, 福州 350007) (福建師范大學(xué) 福建省光子技術(shù)重點實驗室, 福州 350007)

雙驅(qū)動端口的中高頻 RFID雙層天線設(shè)計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)教育部重點實驗室, 福州 350007) (福建師范大學(xué) 福建省光子技術(shù)重點實驗室, 福州 350007)

為了提升天線線圈在空間中產(chǎn)生的磁場強度, 提出一種雙驅(qū)動端口的雙層天線方案. 首先, 從理論出發(fā)介紹了設(shè)計雙層天線時應(yīng)該考慮的各個參數(shù); 其次, 改變雙層天線的參數(shù), 通過三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS進(jìn)行建模仿真, 探究兩線圈的匝數(shù)、間距、半徑以及相對位置對雙層天線的影響; 最后, 對仿真結(jié)果進(jìn)行分析, 找出了最優(yōu)的雙層天線設(shè)計方案, 對實際設(shè)計的中高頻 RFID讀寫器天線具有一定的參考價值.

RFID; 雙驅(qū)動端口; 雙層天線; 磁場強度; HFSS

1 引言

Radio Frequency Identification(射頻識別技術(shù))簡稱RFID, 是一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動識別目標(biāo)對象的非接觸式的無線電信息技術(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)這三個部分, 該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于收費、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)的識別距離盡可能的遠(yuǎn)以及對目標(biāo)對象識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)生的足夠強的磁場強度. 因此, 必須對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, 研究其在面積限定時場強的變化情況; 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強度,在天線線圈環(huán)繞的平面內(nèi)串聯(lián)多個多匝線圈; 文獻(xiàn)[7]為了增強無線傳輸系統(tǒng)中接收線圈所接收的能量, 提出采用多個發(fā)射機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位置對雙層天線場強的影響.

2 理論解析

當(dāng)兩個通有交變電流的導(dǎo)體靠的很近的時候, 兩個導(dǎo)體各自都會受到另一個靠近導(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, 該效應(yīng)的效果越顯著, 它會使得導(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)對單端端口驅(qū)動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, 對于雙端口或多端口驅(qū)動天線的研究相對較少, 本文將對雙驅(qū)動端口的雙層天線進(jìn)行初步的研究, 旨在找出該雙層天線的最優(yōu)設(shè)計方案.

2.1 磁耦合

本文研究的雙層天線由兩個環(huán)形線圈組成, 而兩個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(一匝時)分別為l1、l2, l1、l2在圓線圈任取的兩個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).

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

設(shè)流過兩個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, 兩個線圈所經(jīng)過的總磁鏈為:

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)是為了更簡便和更準(zhǔn)確的看出兩個線圈之間的耦合程度而設(shè)定的物理量. 當(dāng)兩個線圈之間的相互感應(yīng)為無漏磁的互感時, 互感量M達(dá)到最大值而實際的設(shè)計中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;兩個極板的正對面積為S; k是靜電力常量; d為兩個極板之間的距離. 由式(6)可知, 在介質(zhì)確定的情況下, 對電容值大小影響最大的是極板間的距離以及其正對面積.

2.3 頻率偏移

線圈在中高頻段上時, 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, 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)就是信號傳輸中需要考慮的散射參數(shù). 該參數(shù)主要用于評估信號傳輸時反射信號和傳送信號的性能. 對于雙驅(qū)動端口的網(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在傳輸信號時, 兩個端口自己對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傳輸信號時, 其輸入信號對該端口的輸入反射系數(shù), 即為輸入信號的回波損耗, 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)計時, 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

3.1 天線線圈Q值的計算

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

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算如下:

4 雙層天線線圈的建模與結(jié)果分析

現(xiàn)今, 對于工作在13.56MHz頻段的RFID讀寫器天線設(shè)計, 鑒于其實際的制作方法是在PCB板(單層或多層)平面上制作, 由于天線線圈各個參數(shù)的細(xì)微改變都將引起其匹配電路設(shè)計的參數(shù)發(fā)生改變, 并且在實際中對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)行大量的測量和驗證, 故本文運用業(yè)界認(rèn)可的三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS模擬其實際的工作環(huán)境, 對其進(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)計的天線能夠運用到實際中, 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該天線進(jìn)行仿真. 為了方便設(shè)計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)計成一樣的. 仿真時, 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位置對雙端口驅(qū)動的雙層天線的影響.

4.1 匝數(shù)對雙層天線的影響

由于線圈的匝數(shù)對線圈產(chǎn)生的磁場影響很大, 故首先研究匝數(shù)改變時, 雙層天線產(chǎn)生的場強變化規(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匝時雙層線圈的結(jié)構(gòu), 通過HFSS軟件對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, 線圈電感值及諧振頻率的大小

圖3 雙驅(qū)動雙端口的雙層天線(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); 而當(dāng)天線線圈的匝數(shù)大于等于5匝時, 對于雙層天線來說, 其總的電感值接近4uH(偏大, 匹配電路難設(shè)計且損耗也大). 因此,對于雙層天線線圈, 取線圈匝數(shù)為2匝、3匝、4匝進(jìn)行仿真設(shè)計, 通過軟件HFSS中的場計算器對仿真的結(jié)果進(jìn)行處理, 探究距離線圈平面5mm處的場強變化情況,計算的數(shù)據(jù)以及各個線圈的匹配參數(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, 用雙倍能量激勵天線線圈產(chǎn)生的場強正好是正常激勵的兩倍; 當(dāng)匝數(shù)為2匝時, 雙層天線的總場強最強; 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 線圈半徑對雙層天線的影響

根據(jù)式(1)可知, 兩個線圈的半徑會對線圈的互感產(chǎn)生影響, 而互感發(fā)生變化時, 雙層天線產(chǎn)生的磁場強度就會改變, 故需要對雙層天線的半徑進(jìn)行研究, 分析半徑改變時的場強變化規(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, 同一個線圈中相鄰的天線走線之間的距離為0.15mm, 兩個線圈同軸, 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HFSS軟件對這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 各線圈的平均場強及耦合系數(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, 對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強分布圖.

圖4 單層時的場強分布圖(2匝)

圖5 雙層時的場強分布圖(2匝)

將圖4和圖5進(jìn)行對比, 可以得出雙驅(qū)動端口的雙層天線其整體的磁場強度得到了很大的提升.

4.3 兩線圈的間距對雙層天線的影響

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線圈場強的影響時, 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HFSS仿真,研究兩個線圈間距逐漸增加時, 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, 底層天線線圈對上層線圈的影響也越來越小. 雖然當(dāng)線圈之間的距離大于5mm時, 線圈的dB損耗值小于-20dB, 但是間距的增加, 不適合實際中的天線設(shè)計(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)生的磁場強度(兩個的疊加)也將減弱, 故對于兩線圈間距的選擇, 選擇實際中PCB板默認(rèn)的厚度, 為1mm.

圖6 dB損耗圖

4.4 兩線圈的相對位置對雙層天線的影響

對于式(1)中的諾以曼公式, 其互感M計算是建立在兩個線圈是同軸的前提下, 并未對非同軸線圈的互感進(jìn)行描述和計算. 下面就針對兩線圈的非同軸的情況進(jìn)行仿真, 分析當(dāng)相對位置發(fā)生變化時, 雙層天線的磁場強度變化規(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HFSS軟件對這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 相對位置發(fā)生變化時的磁場強度

通過表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, 該雙層天線產(chǎn)生的磁場強度的變化規(guī)律是先增強后減弱. 原因分析: 由于兩線圈的耦合程度是逐漸降低的, 這說明上下兩線圈的耦合損耗也是逐漸減小的, 故剛開始場強有相應(yīng)的增強, 但是隨著軸線間距的增加, 兩線圈相對部分之外有一部分產(chǎn)生的磁場方向是相反的, 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相互抵消的部分,隨著間距的繼續(xù)增大, 磁場抵消的部分越來越大, 當(dāng)場強減弱的部分大于增強的時, 整體場強開始減弱.所以, 雙驅(qū)動端口的雙層天線的磁場強度變化規(guī)律是先增強后減弱的, 最優(yōu)的間距為3mm.

圖7 相對位置發(fā)生變化的雙層天線

5 結(jié)語

為了提升天線線圈在空間中產(chǎn)生的磁場強度, 使天線線圈的識別距離變遠(yuǎn), 本論文提出一種雙驅(qū)動端口的雙層天線方案. 通過三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS對其進(jìn)行建模仿真, 探究了兩線圈的匝數(shù)、間距、半徑以及相對位置對該雙層天線的影響, 利用HFSS中的場計算器對仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 得出當(dāng)雙驅(qū)動端口的雙層天線匝數(shù)取2且兩線圈軸線相距3mm時, 天線整體的磁場強度得到很大程度的提升,所以此時的設(shè)計為最優(yōu)的設(shè)計方案. 本論文的設(shè)計可以為后續(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.

1 陳進(jìn),鄧景康,景祥祜.圖書館RFID技術(shù)及應(yīng)用.上海:上海交通大學(xué)出版社,2013.

2 陳思國,陳思義,黃玲.適用于多種環(huán)境的RFID標(biāo)簽天線研究.消費電子,2013,12(24):86.

3 劉華銳,鄭華,廖曉東,陳桂慧.面積限定下13.56MHz RFID天線的仿真和設(shè)計.計算機系統(tǒng)應(yīng)用,2015,24(5):241–244.

4 Chen KN, Zhao ZM. Analysis of the double- layer printed spiral coil for wireless power transfer. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2013, 1(2): 114–121.

5 Zargham M, Gulak PG. Maximum achievable efficiency in near-field coupled power-transfer systems. IEEE Trans. on Biomedical Circuits and Systems, 2012, 6(3): 228–245.

6 Yang CY, Lee SH, Yang WG. New multiple loop antenna design for 13.56MHz RFID reader. Progress in Electromagnetics Research Symposium. PIERS 2012 Moscow. 2012. 586–588.

7 皇甫國慶.兩圓線圈間互感及耦合系數(shù)討論.渭南師范學(xué)院學(xué)報,2015,30(14):24–29.

8 黃冕,羅志祥.基于13.56MHzRFID閱讀器的天線設(shè)計與實現(xiàn).計算機與數(shù)字工程,2007,35(7):151–153.

9 Cheng D, Wang Z, Zhou Q. Analysis of distance of RFID system working under 13.56MHz. IEEE Wireless Communications, Networking and Mobile Computing, 2008: 219–230

10 樊文,常青,張其善.IC卡讀寫器天線電路設(shè)計.無線電工程, 2003,33(8):59–62.

11 李明洋.HFSS天線設(shè)計.北京:電子工業(yè)出版社,2011.

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

福建省教育廳項目(JB12039)

2016-03-14;收到修改稿時間:2016-04-27

10.15888/j.cnki.csa.005491