NFC天线设计

FuBang2020-09-15 10:22:58

NFC天线设计

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1.1 仿真工具HFSS

使用的环境就是HFSS 仿真软件,所有的仿真图都是使用HFSS 软件仿真出来的。

HFSS 工作界面如下图所示:

1 HFSS 工作界面

先要建一个新项目,然后添加一个HFSS 设计,选择一种激励方式,这里采用的是终端激励。设置使用的长度单位,本文都是以毫米为单位的。这些初始工作完成后,接下来就是建模、添加变量,设置变量的初始值、设置材料参数、边界条件和激励源、求解条件,添加扫频,最后可以进行分析了。分析过程结束后,可以利用数据处理功能直观地给出问题的各种求解信息和求解结果。HFSS 的求解结果数据有一下三大类:数值结果、场分布图和辐射场。可以计算电磁场的数值解和边界问题,近远场辐射问题,S 参数,3D 图等等。

2 NFC的工作原理

2.1 天线的基本参数

天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置,是自由空间和传输线的接口,是无线通信系统中的一个重要部件。在很大程度上,NFC系统的表现依赖于标签的性能,而决定标签性能的关键之一就是标签天线。天线的结构决定了天线的输入阻抗特性、天线方向性、天线效率、天线极化、和天线增益等天线参数特性。而且天线的增益和方向性将直接影响NFC 的通信状况,下面是天线的几个重要的参数。

(a)天线的输入阻抗

通常用网络分析仪测试网络S 参量(散射参量)来表述天线的输入特性。天线作

为传输线的终端负载可视为一个二端网络,天线的输入阻抗定义为天线的输入端电压与电流之比,天线的输入阻抗中的虚部代表了近场的存储能量,实部则是由辐射电阻与损耗电阻两部分组成,使用网络分析仪来测量天线的输入阻抗实质上就是测量天线输入端口的Z 参量,因为 Z 参数是矢量形式,有实部和虚部,所以测量天线的输入阻抗只能用网络分析仪。当输入端口匹配时,输入端口反射系数即为发射系数。经常用回波损耗来描述天线的输入特性。

(b)天线效率

天线效率定义是天线辐射得功率与输入功率的比值,天线效率用来度量能量有效转换的程度,包括天线辐射结构内部、输入端口处以及周围的损耗性结构带来的损耗,主要包括:

1)由介质或导体产生的欧姆损耗;

2)由于天线和传输线之间的不匹配而造成的反射损耗。天线最重要的参量还有天线增益和方向性系数。天线的方向性,是指天线对于空间不同的方向具有不同的辐射和不同的接收能力。天线的方向性的数学表示是用方向函数来表示的,就是天线的空间坐标与辐射强度之间的函数关系。天线增益的定义与方向性系数相似,它是在相同的输入功率条件下,实际天线与理想天线场强平方的比值。天线的方向性系数的定义是在远场区的某一球面上最大辐射功率密度与其平均值之比,是大于等于1 的值。增益定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度,其定义是在相等的输入功率条件下,在空间同一点处,实际天线与参考的辐射单元所产生的信号的功率密度之比。

G = E+ D

G 为天线最大增益,E为天线效率, D 为方向性系数。

(d)天线的极化特性

天线的极化是指在天线的最大辐射方向上,辐射的电场强度矢量的空间取向,或者说是指在一个周期内,瞬时电场矢量末端所描绘出来的轨迹。当这条轨迹是椭圆、圆或直线时,分别叫做椭圆极化、圆极化和线极化。当电场强度方向与地面垂直时,就称此电波为垂直极化波;当电场强度方向与地面方向平行时,就称此电波为水平极化波。由于电波自身的特性,决定了在贴近地面时,水平极化传播的信号会在大地表面产生极化电流,受大地阻抗影响,极化电流会产生热能导致电场信号迅速的衰减,假如是垂直极化方式,极化电流就不容易产生,从而不但避免了能量的大幅衰减,而且保证了信号的有效传播。

(e)感应场

实际上,任何天线的辐射都是具有方向性的。用曲线把辐射场振幅与方向的关系表示出来,即为振幅方向图,换句话说,天线的方向图是远场区任意方向上某点的场强同方向的关系曲线。当天线辐射时,会在其周围的媒介中产生电磁场,围绕着天线的场可划分为3 个场区,远场区,辐射近场区和感应近场区。离天线最近的是感应近场区,其场区尺寸是和波长和天线的尺寸对应的,用

。在近场区,无功功率占主导,本文中,我们所设计的用于NFC技术的天线都是属于近场天线。不过感应近场的区域大小是很难严格界定的,这是由实际天线的几何结构特性决定的。

1)主动模式

在主动模式下,我们把NFC 终端作为一个读卡器,每台设备向另一台设备发送数据时,都必须产生自己的射频场。发起设备和目标设备都要产生自己的射频场,主动发出自己的射频场去识别和读写别的NFC 设备,以便进行通信,这就是点对点通信的标准模式,可以获得非常迅速的连接设置。基于该模式的典型应用有购买和使用电子票、电子钱包现场支付、企业内门禁考勤等。

2)被动模式

在被动模式下,NFC 终端可以被模拟成一个卡被读或者写,启动NFC 通信的设备即发起设备,也叫主设备,在整个通信过程中提供射频场(RF-field)。它可以选择106 kbps 、212 kbps 或424kbps 其中任一种传输速度,将数据发送到另一台设备,它只在其他设备发出的射频场中被动响应。另一台设备称为NFC目标设备(从设备),不必产生射频场,利用感应出来的电动势提供工作所需的电源,并使用负载调制技术进行数据收发。移动设备主要工作在被动模式下,这样可以大幅度降低功耗,并且能够使电池寿命延长。在一个会话应用过程中,NFC 设备可以在目标设备和发起设备之间切换自己的角色。

3)双向模式

在该应用模式中,NFC 手机之间可以进行数据的交换,实现点对点通信,关联应用是本地应用也可以是网络应用。该模式的典型应用有建立蓝牙连接、交换手机名片等。

2.2 线圈天线

线圈天线是一种很简单的天线,简单的说,就是用某种材料,比如铜线,按照一定的形状绕几圈,这样就是线圈天线了,在铜线的两端加上激励就可以发射信号了,就是这么简单。

2.2.1 磁场分析

因为做的NFC 是类似于RFID 的13.56MHz 的线圈天线,在这个频率上天线一般都是经过磁场耦合来实现能量的传递,我们先对线圈的磁场进行分析。我们先来研究一下单圈的矩形线圈天线的特性。根据有限长导线周围磁感应强度的公式,可以计算出四条边在空间某一点的矢量磁位,由于两两方向相同,经过叠加之后就剩下了两个方向的矢量相加,这样有利于求旋度;对于空间中某一点处的总矢量磁位,求旋度后就得到了磁感应强度,由于刷卡的时候垂直方向的磁通量是有效的,

2.2.2 激励加载

上面提到要在线圈的两端加上激励,就是把线圈的两端用一个矩形平面连接起来,然后设置这个矩形平面为lumped port。

2.3 电感耦合原理

本文所设计的线圈天线,线圈之间就是通过电感耦合来进行通信的,而耦合电感是耦合线圈的理想化模型。当在线圈通过变化的电流时,在它的周围将建立起感应磁场。如果两个线圈的磁场存在相互作用,就称这两个线圈时具有磁耦合的线圈。而具有磁耦合的两个或两个以上的线圈,又被称为耦合线圈。

安培右手定则

根据奥斯特的实验,流过电流的线圈在它的周围会感应出磁场(电流磁效应),感应磁场会影响接收天线的场量,然后根据法拉第电磁感应定律,接收天线磁场的变化又会影响线圈上的电流变化,从而传递信息,即NFC 天线是通过磁场耦合进行通信的。一般情况下,电磁反向散射耦合 RFID 工作方式下天线结构形状是振子天线,线圈天线是用在电感耦合RFID 工作方式下天线结构形状。

电磁反向散射耦合型的RFID 阅读器和雷达原理一样,射频标签和阅读器也要调制到相同的频率才能工作。微波波段、超高频、高频、低频对应着不同频率的射频。低频射频工作在125KHz 左右;高频射频工作在13.56MHz 左右;超高频射频工作频率在850-910MHz 范围之内;微波波段工作在2.45GHz 左右。RFID天线基本形式主要有微带贴片型、线圈型、偶极子型3种。其中,小于1m的近距离应用系统的RFID天线一般采用成本低、工艺简单的线圈型天线。它们主要工作在中低频段。而大于1m以上的远距离的应用系统需要采用偶极子型或微带贴片型的RFID天线,

 2.4 天线电感的计算

本文除了建模天线模型之外,最主要的就是研究电感的变化情况。而电感的物理意义是当导线内通过交流电流时,在导线的内部及其周围产生交变磁通,导线的磁通量与生产此磁通的电流之比。天线线圈的等效电路图,其中端口TX1与TX2之间天线线圈的电阻损耗为电阻RL 代表天线线圈电感,C 为线圈与TX1和TX2之间的电容损耗。

将电容C 与天线线圈串联或者并联起来组成LC 谐振电路,通过此谐振电路,阅读器可将能量传输至射频卡,并与卡进行通信。可以将谐振电路的谐振频率调至阅读器的工作频率13.56MHz ,天线的频率跟电感L 和电容C有关。天线尺寸越大,则线圈的电感也就越大,相对的电容C就更小。当天线的电感大于5μH时,就不容易使匹配电容C取到合适的值了。在设计天线时应充分考虑天线的线圈电感值,使其小于5μH,并且天线导体的宽度应在0.5~1.5mm内。

2.5 小结

本章主要从天线的基本参数了解线圈天线的特性,包括磁场的分布、和激励的加载方式,并简单介绍了NFC 的工作频段、传输距离,比较了NFC 三种的不同工作模式,并得到了计算天线电感值的理论公式。天线的选择决定着通信方向和通信距离,工作在13.56MHz 波段特性可选择线圈天线。

3 章 双面矩形天线的设计

3.1.1 天线电感值的大小

电感量值的物理意义是:在电流包围的总面积中产生的磁通量与导体回路包围的电流强度之比。天线线圈产生的磁通量定义为垂直穿过导体包围面积S的磁感应线的总数,在电流一定的条件下,欲让天线线圈产生较大的磁通量,就必须增大天线的面积和增加天线线圈的圈数,这样会增大天线线圈的电感。天线通常是由

电感和电容组成串联或并联谐振回路构成,谐振频率与电感和电容乘积的平方根成反比。因此,当电感增大到一定值时,需要的电容就非常小。在13.56MHz RFID 系统中,一旦电感超过5μH ,电容匹配开始变得困难。因此对13.56MHz 的RFID 应用中,通常使用几μH 的电感和几百pF的谐振电容。

3.1.2 天线变量的选择

在对天线进行建模以前,先要确定有哪些变量。本文的主要研究内容包括:天线的绕线数、绕线的宽度及间隔与天线的等效电感之间的变化关系;所以天线的绕线数、绕线的宽度及间隔是最重要的三个变量。接下来还要确定变量的变化范围,由于本文所设计的天线都是小型化的天线,是要放在手机中使用的,所以尺寸非常小,基本都是以毫米为单位变化的,变化间隔为0.01-0.1 毫米。

3.2 天线模型及参数

3.2.1 建模

(1)参数表示

天线模型的参数表示

(2)参数说明:

1) 线宽w 和线间距d的初始值都为0.2 mm,介质板厚为0.4 mm,空气腔高

cc=10mm

2) 变化时,随着线宽w或线间距d的增大,介质板、空气腔的尺寸随之增大:

介质板的宽a = (2n+ 2)*(w+ d) + l1

介质板的长b = (2n+ 2)*(w+ d) + l2

空气腔的宽aa=1.5* a

空气腔的长bb =1.5*b

3) 介质板的介电常数设为变量My_material ,初始值设为2;

4) 圈数n=10

(3)模型说明:

1)起始位置设在负X 轴,起点为参数l1,表示最里圈的短边长,然后顺时针以线宽w、线间距d Z轴旋转(右手螺旋),圈数由参数n确定(这里n=10)。

2)最里圈的长边长为l2 ,绕过10 圈后,通过打孔穿过长、宽、高分别为bac的矩形介质板(介电常数为My_material )连接到背面,以正面相同的参数设定背面螺旋。

3)背面绕完10 圈后,在正面的起点处打孔穿到背面,放置一个平面连接馈电。

3.2.2 天线模型

根据上述建模的过程,可以画出天线模型图,如下图所示:

3.3 天线的电感随参数的变化分析

以上是对天线的建模,包括参数表示及模型示意图,并说明了参数的物理意义,我们想了解天线的电感特性,就得分析当这些参数变化时,电感值是怎样变化的。

(1)电感值随频率的变化关系

当线宽w=0.2mm,线间距d=0.2mm时,我们讨论在1-20MHz 范围内,电感随频率的变化关系,如下图所示:

1-20MHz ,电感随频率的变化关系

分析说明:由图3.2 可知,在线宽w=0.2mm、线间距d=0.2mm,圈数n=10 时,电感是随频率的增大而增大的。在1-20MHz 的范围内,电感为5-8μH 左右。

(2)电感值随圈数的变化关系

保持线宽w=0.2mm、线间距d=0.2mm不变,讨论圈数n为3、6、10 时电感随频率的变化,变化关系如下图所示:

电感随圈数n的变化关系

分析说明:

由上图分析,圈数对电感的影响是很大的。n=3 n=6 时,电感随频率的变化近似为一条直线,即电感近似为一个定值。但是n=10 时,电感为平滑上升的曲线,不再是一个稳定的值,且变化越来越快!所以要使得电感为稳定的值,那么n的取值不宜过大,6圈左右为最好。

(3)电感随线间距的变化关系

保持线宽w=0.2mm、圈数n=10 不变,讨论电感随线间距d的变化关系。让d

0.2mm变化到0.5mm,间隔为0.1mm。

图 3.4 不同间距d时,电感的变化

分析对比可得出以下结论:

(1)当d从0.2mm变化到0.5mm时,电感值是随着d 的增大而增大的。

(2) d较小时,电感随频率的变化不大,近似是一个定值,5-6μH 左右;

(3) d越大时,电感随频率的变化越快,电感不再近似为一个定值;

所以,要想在13.56MHz 左右得到稳定的电感值, d应该取较小点值。

d 继续增大时:

 电感随d的变化

分析说明:

(1)由上图可见,随着d的继续增大, d =0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm时,电感值出现尖峰跳变,且d的值越大,跳变处的频率值越小。

(2)要使电感在13.56MHz 左右保持一个近似稳定的值,则d 的值要取小一点,要小于0.5mm。

(4)电感随线宽的变化关系

保持线间距d =0.2mm、圈数n=10,讨论电感随线宽w的变化关系。让w从0.1mm变化到0.6mm,间隔为0.1mm。

电感随线宽w的变化关系

分析说明:如上图所示,在w取0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm时,随w的增大,在频率比较低时,电感值变化比较小,在频率较大时,变化率较大。要使电感在13.56MHz 左右保持一个近似稳定的值,则w的值不宜太大,0.2mm最佳;当w继续增大时:

电感随w的变化关系

分析说明:

1)当w继续增大,w=0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm时,电感值的变化出现尖峰;

2w越大,出现尖峰位置的频率越小;

3)要使电感在13.56MHz 左右保持一个近似稳定的值,则w的值不宜太大,取0.3mm左右为最佳。

以上讨论了电感随各个参数变量的变化关系,分别是变化一个变量,固定其他的变量值,分析在1-20MHz 范围内,电感的变化关系。

(5)在工作频点处,电感随线宽的变化

保持线间距d =0.2 mm,圈数n=10,让线宽从0.1 mm变化为1 mm,分析频率在

13.56MHz 处电感随线宽w的变化关系,如下图所示:

13.56MHz 处,电感随w的变化

分析说明:由上图所示,在频点13.56MHz 处,线间距d=0.2mm 时,电感随线宽w(0.1mm-1mm)的增大而增大!且w越大,电感变化越快。

(6)在工作频点处,电感随线间距的变化,保持线宽w=0.2mm,圈数n=10 不变,让线间距d从0.1mm变化到1mm,分析频率在13.5MHz 处电感随线间距d的变化关系,如下图所示:

在13.5MHz 处,电感随d的变化

分析说明:由上图所示,在频点13.5MHz 处,线宽为0.2mm时,电感随线间距d(0.1mm-1mm)的增大而增大。且d越大,电感的变化越快。

3.4 阻抗匹配

3.4.1 阻抗匹配方法

为了使天线的发射功率达到最大,对天线进行阻抗匹配,这里我们通过并联一个电容和电阻来实现匹配,其中电阻为50 欧姆,调节电容的大小,使得S(1,1)在13.56MHz 处达到最小即可。

匹配后的双面矩形天线模型

说明:在激励处并联一个电容capacitance 和50 欧姆的电阻,调节电容的值,使得S 参数的最低点尽可能接近13.56MHz

3.4.2 主要参数值

是实现匹配时各个参数值的确切大小。

3.4.3 回波损耗图

匹配情况下, S(1,1)

分析说明:参数变化图可以得出,在并联一个16 pF 的电容和50 欧姆的电阻后,谐振点在13.5MHz S(1,1)的值可达到-76.81 dB,说明匹配效果很好。

3.4.4 电感变化图

匹配下的电感变化图

分析说明:

如上图电感的变化图所示,在13.56MHz 右,电感值几乎趋于定值0. 电感值在匹配点前呈下滑趋势,在匹配点处为零,其后缓慢趋近于零。

3.5 变化规律总结

(1) 对于一个参数固定的双面矩形天线模型,电感值是随频率的增大而增大的;

(2) 其他参数固定,电感随线宽w的增大呈增大趋势,且变化率越来越大;

(3) 其他参数固定,电感随线间距d的增大而增大;

(4) 其他参数固定,电感随圈数n的增大而增大,且n 增大一倍,电感值几乎增大一倍;

(5) 在工作频点13.56MHz 处,电感随线宽w的增大而增大,变化率越来越大;

(6) 在工作频点13.56MHz 处,电感随线间距d 的增大而增大;

(7) 在工作频点13.56MHz 处,电感随圈数n 的增大而成倍增大。

圈数、线宽和线间距对电感值都有影响,其中圈数对电感的影响最大。

4 章 单面圆角矩形螺旋天线

4.1 天线建模

4.1.1 天线总体结构图

天线的总体结构图

4.1.2 参数表示

参数表示

4.2 天线参数变化分析

(1)电感随外圈长度的变化

首先分析电感随天线的最外圈长度l1的变化关系,保持其他参数不变的情况下,令l1从 20mm变化到40mm,变化间隔为5mm。得出的电感变化关系如下图所示:

天线的长度l1 ,引线间距g天线的宽度l2 ,基板厚度H天线线圈的宽度w 线圈的圈数n,天线线圈的间距s

对应不同的l1,电感值随频率的变化情况

分析说明:

从上图可以看出,随着l1的增大,线圈电感值L 也在增大,并且增幅很大。说明l1对线圈电感的影响是很大的,且圈数一定,线圈电感值基本一定,随频率的变化不大,说明电感值是稳定的。

(2)电感随外圈宽度的变化关系

分析l2 ,保持其他参数不变的情况下,令l2 从4mm变化到20mm,间隔为4mm,

仿真出电感的变化趋势。

对应不同的l2 ,电感值随频率的变化情况

分析说明:

从上图可以看出,随着l2 的增大,线圈电感值L 也在明显增大,并且增幅很大。说明l2 对线圈电感值的影响很大。模型各个参数一定,线圈电感值基本一定,随频率的变化不大,说明电感值是稳定的。

(3)电感随线间距的变化关系

分析线距s ,保持其他参数不变的情况下,令s 从0.1mm变化到0.7mm,变化间隔为0.2mm。

对应不同的s,电感值随频率的变化情况

分析说明:

从上图可以看出,随着s 的增大,线圈电感值L 缓慢增大。说明s对线圈电感值有一定的影响,影响不大。

(4)电感随线宽的变化关系

分析线宽w,保持其他参数不变的情况下,令w从0.2mm变化到1.0mm,变化间隔为0.2mm,分析电感的变化情况,如下图所示。

对应不同的w,电感值随频率的变化情况

分析说明:

从上图可以看出,随着w的增大,线圈电感值L 也在增大,但是增幅不大。说明w对线圈电感值有一定的影响。

(5)电感随引线间距的变化关系

分析g ,保持其他参数不变的情况下,令g 从1mm变化到7mm,变化间隔为2mm,

分析电感的变化情况。

对应不同的g,电感值随频率的变化情况

分析说明:

从上图可以看出,随着g 的增大,线圈电感值L基本不变。不同的引线间距时,电感几乎相同,说明引线间距对天线的电感没有影响,实际设计天线实物时,可根据实际情况设计大小即可。

(6)电感随介质板厚度的变化关系

分析介质板厚度H ,在保持其他参数不变的情况下,令H 从0.02mm变化到0.1mm,变化间隔为0.02mm。

对应不同的H,电感值随频率的变化情况

分析说明:对于不同厚度的介质板时,电感几乎相同,说明介质板厚度对天线的电感没有影响,实际设计天线实物时,可根据实际情况设计大小即可。

(7)电感随圈数的变化

分析参数n,即线圈的圈数,在保持其他参数不变的情况下,分别令n=3、5、7、9,分析电感的变化情况,如下图所示。

不同圈数时电感的变化

 

分析说明:

从上图可以看出,在其他参数不变的情况下,线圈数每增加一圈,电感值近似增加一倍。且随着n的逐渐增大,电感的变化不再是一个稳定的值,由此可知,圈数n对线圈电感值影响最大。要是电感保持一个稳定的值,则圈数可以选择5 圈左右。以上讨论了在f从1 到20MHz 的变化范围内,电感随各参数的变化关系。那么在天线的工作频点f=13.56MHz 处,电感随各参数的变化是怎样变化的呢?

(8)工作频点处,电感值随线宽的变化

分析线宽wf =13.56MHz ,保持其他参数不变的情况下,令w 从0.2mm变化到1.0mm,变化间隔为0.2mm,电感的变化情况如下图所示:

在工作频点处,电感值随w的变化情况

分析说明:由图可知,在在工作频点处,电感值随w的增大而逐渐增大,且近似成线性增大,所以在实际设计过程中,可根据要达到的电感值合理的设计w的大小。

(9)在工作频点处,电感值随线间距的变化情况,s即线圈的线间距,即是在13.56MHz 处,不同s值时,电感的变化图。

在工作频点处,电感值随s 的变化情况

分析说明:由上图可知,当s 分别等于0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm时,电感值是逐渐增大的,且增大的幅度与s增大的幅度相一致,即电感与s 的变化是成正比变化。

(10)在工作频点处,电感值随外圈宽度的变化情况

在工作频点处,电感值随l2 的变化情况

分析说明:当 l2 分别等于4mm、8mm、12mm、16mm、20mm时,电感值是逐渐增大的,且电感值几乎是在一条直线上的,即是线性增大的。

(11)在工作频点处,电感值随介质板厚度的变化

保持其他参数不变,讨论在工作频点处,电感值随介质板厚度H的变化情况。

在工作频点处,电感值随H的变化情况

分析说明:H 分别等于0.02mm、0.04mm、0.06mm、0.08mm、0.1mm 时,开始当H由0.02mm增大到0.04mm 时,电感值是减小的,不过随着H 的增大,电感的减小幅度急剧减小,逐渐到几乎不再变化,此时H 对线圈电感值的影响非常小。

(12)在工作频点处,电感值随引线间隔的变化情况

在工作频点处,电感值随g 的变化情况

分析说明:从上图可以看出,随着g 的增大,线圈电感值L 的总体趋势是增大的,但是增大的幅度非常小,即说明g对线圈电感的影响是非常小的,在实际的天线设计中,可以忽略引线间距g对天线电感的影响。

(13)在工作频点处,电感值随外圈长度的变化情况保持其他参数不变,在工作频点f=13.56MHz 处,分析电感值随外圈长度l1的变化情况,如下图所示:

在工作频点处,电感值随l1的变化情况

分析说明:在保持其他参数不变的情况下,令l1从20mm变化到40mm,变化间隔为5mm,在工作频点13.56MHz 处,电感是逐渐增大的,增大的幅度基本相同,由上图可以看出是近似成线性增大的。

4.3 匹配方法及分析

4.3.1 匹配方法

加匹配后的单面矩形螺旋天线模型

在激励处串联一个电阻R 和电容C ,电阻的大小是50 欧姆,调节电容的值,使得S 参数的最低点尽可能接近13.56MHz ,经过数次调节,得到在R =50 欧姆、C=26.4 pF 时,匹配结果最好。

4.3.2 匹配参数值

4.3.3 回波损耗图

在匹配条件下,天线的回波损耗如下图所示:

匹配时的S(1,1)

分析说明:从上图可以看出,天线在工作频点( f=13.56MHz )附近的回波损耗达到了-51 dB以下,性能较好,说明匹配效果很好。

4.3.4 电感的变化

匹配时的电感变化

分析说明:如上图电感的变化图所示,在13.56MHz 左右,电感的值几乎趋于定值0。电感值在匹配点前呈下滑趋势,在匹配点处为零,其后缓慢趋近于零。

4.4 规律总结

(1) 对于一个参数固定的天线模型,电感值是随频率的增大而增大的;

(2) 其他参数固定,电感随线宽w的增大而增大;

(3) 其他参数固定,电感随线间距d的增大而增大;

(4) 其他参数固定,电感随圈数n的增大而增大;

(5) 其他参数固定,在工作频点13.56MHz 处,电感随线宽w的增大而增大;

(6) 其他参数固定,在工作频点13.56MHz 处,电感随线间距d 的增大而增大;

(7) 其他参数固定,在工作频点13.56MHz 处,电感随圈数n 的增大而增大。

(8) 线圈圈数一定的情况下,对线圈电感值影响较大的参数有l1l2

(9) ws 对线圈电感值有一定的影响,gH 对电感值的影响非常小。

(10) 在其他参数一定的情况下,线圈圈数增加一倍,电感值近似增加一倍,因而,圈数n对电感值的影响最大。

5 章 双面螺旋天线

5.1 天线模型与参数

5.1.1 天线建模

1)螺旋起始位置设在X 轴,起点为参数o1,以线宽x1Z 旋转(右手螺旋),圈数由参数n确定;

2)在起始点通过打孔穿过厚度为hh 的圈形介质板(半径为rr )连接到背面,以正面相同的参数设定背面螺旋。

3)在背面螺旋终点处用长度为l1的金属片作延伸,然后打孔至正面。

4)最后正反两面的螺旋节点再以长度为l2 的金属片引出连接激励。

双面螺旋天线

5.1.2 参数表示

5.2天线电感随参数的变化分析

(1)电感随圈数的变化关系

参数n 即线圈圈数,其增加会相应增加线圈整体长度,在其它参数不变的情况下

在1~20MHz 的频段范围内,电感值变化图

通过对比分析可以得出以下结论:

1)谐振点:随着线圈数量的增加,谐振点呈明显下降的趋势。

2)电感值:随着线圈数量的增加,电感值显著增加,并且收敛于一个值。

3)电感突变:随着线圈数量的增加,电感值突变发生的频率越低。

(2)电感随线圈起点位置的变化

参数o1,即正面线圈起始点的位置,其增加会相应增加线圈整体长度,在其它参数不变的情况下分别对o1 赋予数值 5、6、7、8、9mm。

在5~20MHz 的频段范围内,电感值的变化图

通过对比分析可以得出以下结论:

1)谐振点:随着线圈起点位置的增加,谐振点呈明显下降的趋势。

2)电感值:随着线圈起点位置的增加,电感值显著增加,并且收敛。

3)电感突变:随着线圈起点位置的增加,电感值突变发生的频率越低。

(3)电感随线宽的变化关系,参数x1(线径的宽度,即螺旋的横截面长边的长度),在其它参数不变的情况下分别对x1赋予数值 0.2mm、0.4mm、0.6mm。

在5-20MHz 的频段范围内,电感值变化图

通过对比分析可以得出以下结论:

1)谐振点:随着线圈宽度的变化,谐振点没有明显变化。

2)电感值:随着线圈宽度的增加,电感值有显著减小的趋势,并且收敛,在线宽大于线间距的一半后,电感锐减至0。

3)电感突变:随着线圈宽度的改变,电感值突变发生的频率没有明显变化。

(4)电感随线间距的变化关系

参数w即每圈螺旋增加的宽度,相当于线间距,在其它参数不变的情况下分别对w赋予数值 0.4、0.6、0.8mm。

在5~20MHz 的频段范围内,电感值的变化图

通过对比分析可以得出以下结论:

1)谐振点:随着线圈间距的增加,谐振点有下降趋势。

2)电感值:随着线圈间距的增加,电感值有减小的趋势,并且收敛,在线间距大于线宽的两倍后,电感就基本固定不变了。

3)电感突变:随着线圈间距的增加,电感值突变发生的频率有下降趋势。

(5)在工作频点处,电感随线间距的变化

电感随w的变化

通过对比分析可以得出以下结论:

如图所示,w分别等于0.4mm、0.6mm、0.8mm,电感是逐渐减小的。在线间距大于线宽的两倍后,电感就基本固定不变了。

(6)在工作频点处,电感随线宽的变化图

在工作频点处,电感随线宽的变化图

通过对比分析可以得出以下结论:

x1分别等于0.4mm、0.6mm、0.8mm时,电感值是逐渐减小的。

(7)在工作频点处,电感随圈数的变化图

电感随参数n的变化图

通过对比分析可以得出以下结论:

如图所示,在圈数n =9、10、11、12、13 时,在工作频点13.56MHz处,电感值是不同的,而且圈数越多,电感值明显增加,即圈数对电感的影响是非常大的。

(8)在工作频点处,电感随参数起点位置的变化

电感随o1的变化

通过对比分析可以得出以下结论:

如图所示,在工作频点处,电感随o1的增大而增大,且基本上是成线性增大的,

但是增大的幅度很小。

5.3 匹配实现方法及分析

5.3.1 匹配方法

在激励处并联一个50 Ω 电阻和一个电容(以参数cc 表示),调节电容的值,使得S参数的最低点尽可能接近13.56MHz

匹配实现方法图

匹配图

5.3.2 主要参数值

线圈数n =13,起始点位置o1=9mm,线径宽x1=0.2mm,线间距w=0.4mm,介质板厚度hh=0.2mm

5.3.3 回波损耗图

S(1,1)

通过仿真可以发现最低点在13.45MHz 处达到-56.7dB,匹配的非常好。

5.3.4 电感变化图

匹配时的电感变化

电感值呈逐渐减小的趋势,在13.56MHz 处为0,说明匹配的非常成功。

5.4 结论总结

5.4.1 双面螺旋天线结论总结

(1)随起点位置的增大,电感是呈增大的趋势;

(2)随圈数的增大,谐振点呈明显下降的趋势。电感值显著增加,并且收敛。电感值突变发生的频率越低;

(3)随线宽的增大,谐振点没有明显变化。电感值有减小的趋势,并且收敛,在线宽大于线间距的一半后,电感锐减至0。

(4)随线间距的增大,谐振点有下降趋势。电感值有减小的趋势,并且收敛,在线间距大于线宽的两倍后,电感就基本固定不变了。电感值突变发生的频率有下降趋势。

(5)在工作频点处,随圈数的增大,电感值显著增大,即线圈数对电感的影响很大。

(6)在工作频点处,随线宽的增大,电感是呈减小的趋势。

(7)在工作频点处,随线间距的增大,电感是呈减小的趋势。

(8)在工作频点处,电感随起点位置o1的增大而增大,且基本上是成线性增大的,但是增大的幅度很小。

综上所述,其中,圈数对电感的影响是最大的,其次是线宽和线距。

5.4.2 三副天线的比较

通过上述的分析讨论和比较,三副天线的电感都是随着圈数的增大而增大的,双面矩形天线和单面圆角矩形天线的电感随线宽、线间距的增大而增大,但是双面螺旋天线的电感随线宽、线间距的增大呈略减小的趋势,并逐渐趋于一个定值。圈数对电感的影响最大,圈数增大一倍,电感值几乎是成倍的变化。以上都是理论的仿真和分析,在第六章将用网络分析仪对天线实物进行实际的测量。

6 章 测试结果

6.1

双面螺旋天线,然后讨论了其电感随各个参数的变化关系,及在工作频点处的电感变化关系,其电感能够达到理论值,但是我们还要通过实际的测试来验证。

此次试验的目的是为测试NFC 天线阻抗中电抗的变化情况,并给出仿真天线与实际天线两者之间的差别,测试方法是通过直接给NFC 天线馈电,不考虑天线的匹配,测出实际天线的阻抗,仿真也是直接给天线馈电。

测试回路

6.2 测试结果

以下分别是三款天线的测试结果,每副天线的各个参数分别取了两组值,用网络分析仪测试其实际的电感值,并和理论电感值进行比较。

6.2.1 材质为FPC 的单面矩形天线

单面矩形天线实物图

 

测试一:

(1)参数值

天线最外圈长l1=36mm,天线最外圈宽l2 =22mm,线圈圈数n=5,线宽w=0.6mm

线间距s =0.4mm,引线间隔g=3mm,介质板厚度H=0.2mm

(2)HFSS仿真天线 Smith chart 图:

HFSS仿真天线 Smith chart 图

(3)实际天线 Smith chart 图:

实际天线Smith chart 图

(4)结论

对其换算成电感值,仿真天线的电感值 L1 =1711.4nH ,实际天线的电感值

L2 =1850.5nH

测试二:

(1)参数:

线圈最外圈长l1=25mm,线圈最外圈宽l2 =12mm,线宽w=0.4mm,线间距s=0.2mm,引线间隔g=2mm,介质板厚度H=0.2mm,线圈圈数n=5

(2)HFSS仿真天线 Smith chart 图:

HFSS仿真天线 Smith chart 图

(3)实际天线 Smith chart 图:

实际天线Smith chart 图

(4)理论和实际的电感值

对其换算成电感值,仿真天线的电感值 L1 =1085.5nH , 实际天线的电感值

L2 =1147.7nH

(5)总结:

通过对比分析可以得出以下结论:在两个不同参数下实际电感值发生了相应的变化,其与仿真结果相差在100 nH 内,考虑到仿真中设置材质参数与实际中有所偏差,此误差是允许的,所以仿真天线与实测天线的测试数据还是比较一致的。

6.2.2 材质为PCB 矩形双面天线

实物图

测试一:

(1) 参数值

线宽w=0.2mm,线间距d=0.2mm,圈数n=10,介质板长a=19.2mm,介质板宽b=13.2mm,介质板的厚度c=0.2mm

(2)HFSS 仿真天线 Smith chart 图:

HFSS仿真天线 Smith chart 图

(3)实际天线 Smith chart 图:

实际天线Smith chart 图

(4)结论

对其换算成电感值,仿真天线的电感值 L1 =5064.4nH , 实际天线的电感值

L2 =6709.4nH

测试二:

(1) 参数值:

d = 0.2 mm; w=0.2mm; n =10; a =20mm; b =12mm, c =0.2mm

(2)HFSS仿真天线 Smith chart 图

HFSS仿真天线 Smith chart 图

(3)实际天线 Smith chart 图

实际天线Smith chart 图

(4)测试值

对 其换算成电感值, 仿真天线的电感值L1 =5828.6nH , 实际天线的电感值

L2 =6713.4nH

(5)总结:

通过对比分析可以得出以下结论:在两个不同参数下实际电感值发生了相应的变化,其与仿真结果相差在1μH 内,考虑到仿真中设置材质参数与实际中有所偏差,此误差是允许的,所以仿真天线与实测天线的测试数据还是比较一致的。

6.2.3 材质为PCB 双面螺旋天线

双面螺旋天线实物图

测试一:

(1) 参数值:

线圈数n =13,线径宽x1=0.2mm,线间距w=0.4 mm,介质板厚度hh=0.2 mm

(2) 天线 Smith chart 图

HFSS仿真天线 Smith chart 图

(3)实际天线 Smith chart 图

实际天线Smith chart 图

(4)结论:

对其换算成电感值,仿真天线的电感值 L1 =643.19nH , 实际天线的电感值

L2 =750.89nH

测试二:

(1) 天线参数:

线圈数n =10,线径宽x1=0.2mm,线间距w=0.4mm,介质板厚度hh=0.2mm

(2)HFSS 仿真天线 Smith chart 图:

HFSS仿真天线 Smith chart 图

(3)实际天线 Smith chart 图:

实际天线Smith chart 图

(4)结论:

对其换算成电感值,仿真天线的电感值L1 =474.65 nH ,实际天线的电感值L2 =

564.72 nH

6.3 总结

6.3.1 测试结果比较

测试结果比较

分析说明:

由测试结果可以得出,双面螺旋天线和单面矩形天线的测试值和理论值相差在100 nH 左右,考虑到仿真中设置材质参数与实际中有所偏差,此误差是允许的,双面矩形天线的测试值和理论值相差较大,误差大约为25%,说明效果不理想,经分析和圈数和形状有关。

6.3.2 总结

通过对比分析可以得出以下结论:在两个不同参数下实际的电感值发生了相应的变化,双面螺旋天线和单面矩形天线的测试值其与仿真结果相差在100 nH 内,但是考虑到仿真中设置材质参数与实际中有所偏差,此误差是允许的,所以仿真天线与实测天线的测试数据还是比较一致的。综合考虑到天线的线圈电感值不超过5μH,结合测试的结果,可以得出单面圆角矩形天线的性能最好。