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HFSS13.56MHz天线仿真.pdf

发布时间：2022-06-21 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.86M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    电磁场与微波 13．56 MHz RFID读写器天线的设计与仿真 戴彩艳，蔡坚勇，陈银燕，朱 雨，林李金，黄永亮，晏 熳 (福建师范大学光电与信息工程学院，福建福州350007) 摘 要 为提高13．56 MHz RFID读写器天线的发射效率，并使其天线在实验室易于研发和试制，对13．56 MHz RFID 天线系统的工作原理进行了简要介绍，在此基础上，把13．56 MHz RFID读写器天线线圈等效为PCB平面螺旋电感，利用 HFSS软件建立模型并仿真得出电感值￡、品质因子Q值等参数。其仿真结果得到的电感值与理论计算值相差0．03斗H，在 可接受的范围内。考虑到实际天线产生的寄生电容，提出了在天线末端加开路补偿线圈的方法，避免因寄生电容产生地电 流而使天线线圈的磁场强度降低，仿真结果证实了该方法的可行性。 关键词 RFID；天线线圈；品质因子；平面螺旋电感；HFSS 中图分类号TN827 文献标识码 A 文章编号 1003—3106(2013)01—0042—04 Design and HFSS Simulation of 13．56 MHz RFID Reader Antenna DAI Cai-yan，CAI Jian—yong，CHEN Yin-yan，ZHU Yu，LIN Li-jin，HUANG Yong—liang，YAN Man (College of Photonic and Electronic Engineering，Fujian Normal University，Fuzhou Fujian 350007，China) Abstract To improve the emission efficiency of 13．56 MHz RFID reader antenna and to research and make that antenna much easier in laboratory，the paper is based on the working principle of 13．56 MHz RFID antenna system，and deals with 13．56 MHz RFID reader antenna as the PCB planar spiral induetors，and gets the Inductance value L and the quality factor Q etc．by HFSS simulation． The result of HFSS simulation shows that the differcnce between the inductance value and the theory value is about 0．03 uH，which is accepted．Considering the parasitic capacitance generated by the actual antenna，this paper refers to add an open—loop coil at the end of the antenna coil SO as to avoiding decreasing the magnetic field strength，which is caused by ground current because of parasitic capacitance，yet the result of sinmlation for the method has been proved feasible． Key words RFID；antenna coil；quality factor；planar spiral inductor；HFSS 0 引言 射频识别(RFID)技术是一项利用射频信号进 行非接触式双向通信，自动识别目标对象并获取相 关数据的无线通信技术。在众多中自动识别技术 中，它具有精度高、适应环境能力强、阅读速度快、抗 干扰能力强、便于应用等优点，实现了非接触式操 作，无机械磨损，寿命长，支持读／写数据，可重复使 用，使用了防冲撞技术，能同时识别多个高速运动物 体。目前，RFID技术在国内外发展非常迅速，在物 流、仓储、零售、制造业、军事、交通、电力、食品和环 境等行业已经有了广泛应用，其实现的主要功能有 身份识别、物品防伪、资产管理、人员定位、图书、档 案管理和汽车防盗等，其应用前景十分可观。 RFID天线系统包括读写器天线和标签天线。 基于13．56 MHz的被动式RFID系统，电子标签与 读写器采用电感耦合方式进行能量传递与通信。读 写器的天线线圈产生高频强电磁场，磁场穿过线圈 的横截面和线圈周围空间，使得靠近读写器天线线 42 2013 Radio Engineering V01．43 No．1 万方数据 圈的标签天线在交变磁场中产生感应电压。工作于 13．56 MHz的RFID天线系统采用变压器原理，遵循 法拉第电磁感应定律，天线线圈在功能上等效于电 感，其实际电感值取决于天线的结构、导线的厚度、 线圈之间的距离、天线的尺寸以及天线绕制的圈数 等。下面基于射频芯片MF RC500，对13．56 MHz RFID读写器的天线设计的方法进行了探究。 1 天线结构的选择与等效电路 高频RFID读写器天线可以采用空心电感线圈 或者铁氧体磁芯线圈，也可由印刷PCB板或其他介 质基材的导电线路构成¨。，常见的天线线圈形式有 短圆柱形、环形、方形和矩形。对工作于高频 (13．56 MHz)的RFID系统，由于其电磁波的波长远 大于识别距离，读写器和应答器之间可等效为变压 器耦合方式，采用电流分布基本一致的小型环形或 方形天线为其最佳选择旧1，这里选用方形形状的 线圈。 收稿13期：2012—10-10
    读写器的天线线圈可以用图1的等效电路 表示。 图1天线线圈雩效电路 线圈的电感为毛。。。，只。。。为线圈的电阻损耗， c。为线圈之间和连接器之间的电容损耗。将C。 电容与天线线圈并联或者串联起来组成LC谐振电 路，通过此谐振电路，读写器可将能量传输至射频 卡，并与卡进行通信，谐振电路的谐振频率可调谐到 读写器的工作频率13．56 MHZ，其值由汤姆逊公 式…得出： f= 21r√L。c。一c， 可知天线的频率与以。c。有关，而天线尺寸越 大，线圈的电感三。。。就越大，相对的电容c。则需减 小。线圈电感与电容在谐振频率为13．56 MHz时 的关系变化如图2所示，由图可知，天线当天线的电 感超过5斗H时，电容c。的取值很小，这使得电容 的匹配变得很困难，电感的取值范围在0．8～ 1．8斗H，电容匹配较容易实现。 图2 电容与电感关系曲线 2天线的设计 2．1 天线最佳尺寸设计的理论依据 安培定理指出，当电流流过一个导体时，在此导 电磁场与微波 离为搿处的点的磁感应强度日。的大小"3为： 日：：#篙=舻。H：。 (2) 式中，i。为电流；N，为线圈匝数；o为线圈边长；z为 离线圈中心的垂直距离；肛。为真空磁导率。当 Ⅸ<<口时，由式(2)可知，在戈<<血范围内磁感应强 度几乎不变。当石=0时，公式简化为： B确尝。 当戈>>口时，式(2)可化为： i．N．02 B，=po』寺=po日：。 ㈤ (4) 式(4)表明，当省>>口时，磁感应强度的衰减和距离 戈的3次方成正比。由上可知，从线圈中心到一定 距离的磁场强度几乎不变，而后急剧下降。这就意 味着：对于每种RFID系统的可识别距离都对应有 一个最佳的天线边长口。最佳天线线圈边长口求解 如下¨1，假定天线线圈中电流不变，设茗为常数， 式(2)可改写为：耻华南“焉。㈤ 式中，k=p。i。N，／2为常数。令式(5)两端同时对口 求导，并令dB：／da=0，可解得曰：具有极大值时的 条件，即口=在茹，此时可获得最大磁场强度。由此 可知，读写器天线的最佳边长值等于最大期望阅读 作用距离的以倍。 2．2天线电感值与Q值的计算 天线线圈的电感一般采用阻抗分析仪测量得 到，在条件不允许的情况下，也可由公式估算。环形 和方形天线电感值可由如下公式估算"3： L(nH)=2×l。[cln]×[1n(÷)一K]x N1。8。(6) 式中，f。为一圈(匝)导线环的长度(cm)；D，为线圈 导线的宽度(nlnl)；K=1．07(环形天线)／1．47(方 形天线)；N为线圈的匝数；ln为自然对数函数。由 式(6)可知，天线线圈电感工与线圈匝数Ⅳ的1．8次 方成正比，增加匝数Ⅳ会使得线圈的电感L增大，而 根据式(1)可知，线圈的电感过大，将导致匹配电容 难以取感值为1．6 I．t,H，一圈导线环的长度z，= 16 cm、线圈形式为方形(K为1．4'7)，可根据式(1) 和式(6)求出线圈匝数与与线宽的变化关系如图3 所示，其中，线宽一般取值为0．5～1．5 IBm。 体的周围产生磁场，磁场的磁感应强度与流经导体 的电流i，成正比，与距导体的距离成反比。根据毕 奥一萨伐尔定律得，距环形或方形线圈中心垂直距 品质因子Q。值表示电感线圈的损耗性能，Q。 值越高，天线的输出能量越高，然而太高的Q。值会 干扰读写器的带通特性。天线的品质因子由下面的 2013年无线电工程第43卷第1期 43 万方数据
    电磁场与微波 公式定义‘引： ¨％。、 Q。=焉2。 (7) (7) 式中，埘。=2诉，厶为谐振频率；R。。．为天线等效 电阻；L．。。为天线的等效电感。一般RFID系统的品 质因子在10～30取值，最大不要超过60n一1，以保 证足够的带宽，使得读写器无失真地传送用于数据 调制的副载波信号¨1。在实际测量天线线圈的电 感量和品质因子时，以频带宽、精度高的阻抗分析仪 为最佳测量仪器。 1．55斗H，与理论计算值相差0．03 ttH。考虑到天 线的寄生电容，本次设计在天线线圈末端加开路的 补偿线圈，避免产生地电流而降低天线线圈的磁场 强度…。 图5和图6分别是加补偿线圈前和加补偿线圈 后的磁场强度标量图。图中，白色区域表示磁场覆 盖区，白色区越大表示磁场覆盖区越广，白色块越集 中表示磁场强度越大。 圜 圈3 电感值为I．6．-lI时线宽与匝数的关系 3建模与结果分析 根据上述的天线设计方法，采用业界公认的三 维电磁仿真软件Ansofi HFSS进行建模仿真以验证 方法的可行性。为更好地模拟实际印刷电路板制作 天线，天线的基板选用具有较高机械性能和介电性 能的玻璃布基板FR一4，基板厚度为l mm，电感线 圈的厚度设为0．035 mm，电感材质选用导电性能良 好的铜箔，以减少天线线圈的电阻损耗，若选定线宽 为0．8 mm，由图3可知，电感匝数为约为4匝。考 虑到实际制作天线时线间距越小，加工精度要求越 高，加工成本也越高，所以设线间距为0．3 mm。根 据需要，要使得咒=30 mm，根据8。取得极大值时的 条件，即口=,／-2x，L约为42 film，即取方形面积为 42 mm×42 mm，模型中采用单端集总端口激励，将 上述参数值代人式(6)可算出天线线圈电感值为 l 579．63 nH，约为I．58“H。据此，用HFSS软件建 立PCB平面方形结构螺旋式电感的模型，设置中心 频率为13．56 MHz，采用快速扫描方式，扫描范围为 ll一15 MHz，输入功率设为1 w。利用HFSS自带 分析工具进行分析后，可得到电感值在这个频段内 随频率变化的关系，仿真结果如图4所示。由图4 可知，在频率为13．56 MHz时，电感值约为 44 2013 Radio Engineering V01．43 No．1 万方数据 图4电感随频率变化关系曲线 图5 无补偿线圈时的磁场强度标■ -●‘_Id ■ 口 图6有补偿线圈时的磁场强度标量 比较图5和图6可知，加补偿线圈后电感线圈表 面的磁场强度有所加强。原因分析：电感线圈存在寄 生电容，在末端加上开路线圈后，开环的感应电流与 电感线圈里寄生电容的电流大小几乎相等，但方向相 反，这样就抵消了电感线圈的寄生电容所产生的电 流，相当于避免地电流的产生，减小了电感线圈的功
    电磁场与微波 率损耗，从而相对提高了电感的磁场强度。 micro ID 13．56 MHz-RFID System Designguide[M] 4 结束语 根据13．56 MHz RFID系统的工作原理，探讨 了RFID读写器天线的设计方法，并模拟实际制作 PCB平面电感的方法，采用业界公认的三维电磁仿 真软件Ansoft HFSS建立一个方形结构螺旋式的平 面电感模型，仿真所得的电感值与理论计算值相差 0．03斗H。此外，仿真所得的电感磁场标量图表明， 在电感线圈末端加开路的补偿线圈有利于增强天线 磁场强度。对13．56 MHz RFID读写器天线的最佳 尺寸设计方法所进行的探索，对实际制作PCB平面 RFID读写器天线具有较好的参考价值。 Microchip，2004：93—139． [4]单承赣，单玉峰，姚磊，等．射频识别(RFID)原理与 应用[M]．北京：电子工业出版社，2008：32—34． [5]黄冕，罗志祥．基于13．56 MHz RFID阅读器的天线 设计与实现[J]．计算机与数字工程，2007，35(7)： 15l—153． [6]CHENG Da，WANG Zhong，ZHOU Quan．Analysis of Distance of RFID System Working Under 13．56 MHz [c]／／IEEE Wireless Communications，Networking and Mobile Computing，2008：219—230． [7]郑洁，徐晶．RFID读写器天线的研究与设计[J]． 微计算机信息(嵌入式与SOC)，2007，23(8—2)： 228—229． 参考文献 ．1． [8]朱轶，王刚，王洪金．13．56 MHz RFID阅读器天线 的设计[J]．微波学报，2008，24(5)：22—26． [1]刘英，龚书喜．移动通信系统中的天线[M]．北京：电 作者简介 子工业出版社，2011：252—254． [2]李宝山．无源高频RFID系统读写器天线的设计[J]．无 ，、线电工程，2。。8，38(5)：35—3 【3 J LEE Y．Antenna Circuit Design．AN710一Application Note。 8_ 蠢彩艳 女，(1987--)，硕士。主要研究方向：嵌人式终端 设计a 人式萎嚣罢计?“1962一九副教授。主要研究方向：图像处理、嵌 (上接第32页) 4 结束语 [S]，2002． [6]KAPLAN E D，HEGARTY C J．Understanding GPS Principles and Applications(Second Edition)[M]． 上述立足于现代化卫星导航系统的顶层设计， American：Arteeh House，2006：194—199． 在对国外GPS、Galileo以及GLONASS等系统民用 [7]王梦丽，王飞雪．三种电离层延迟多频修正算法的比较 信号设计进行充分分析的基础上，从全球卫星导航 系统用户需求和现代化升级建设等方面，分析了卫 星导航系统民用信号设计需求。研究结论为卫星导 航系统信号体制的现代化设计提供分析思路和设计 [J]．测绘科学，2008，33(4)：58—60． [8]王梦丽，王飞雪．三频电离层延迟改正中多路径效应和 观测噪声的削弱算法[J]．测绘学报，2008：37(3)， 418—422． [9]JUNG J．Optimization of Cascade Integer Resolution with 依据。 ．|． Three Civil GPS Frequencies[c]／／Proceedings of ION 参考文献 GPS-2000，Salt Lake City，2000：2 191—2 200． [1]INTERFACE SPECIFICATION．IS．GPS．200E，Navstar GPS [10]SJOBERG L E．Unbiased V8 Biased Estimation of GPS Space Segment／Navigation User Interfaces[s]，2010． Phase Ambiguities From Dual Frequency Code and Phase [2]INTERFACE CONTROL DOCUMENT．ICD—GPS-705， Observables[J]．Journal of Geodesy，1999，73：1 18—124． Navstar GPS Space Segment／User Segment L5 Interfaces [1 1]HOREMUZ M，SJOBERG L E．Rapid GPS Ambiguity [S]，2005． Resolution for Short and Long Baselines[J]．Journal of [3]INTERFACE SPECIFICATION． IS—GPS一800A， Navstar Geodesy，2002，76：381—391． GPS Spaces Segment／User Segment L1 C Interfaces 作者简介 [S]，2010． [4]GAL OS SIS ICD．European GNSS(Galileo)Open Service 王梦丽女，(1978一)，博士，工程师。主要研究方向：卫星导 航系统总体技术论证、卫星导航系统及分系统测试技术以及卫星导 航信号体制等。 Signal in Space Interface Control Document[S]，2010． 金国平男，(1978一)，博士，工程师。主要研究方向：卫星导 [5]GLONASS ICD． Glonass Interface Control Document 航系统上行注入信号体制、卫星导航系统平稳过渡等。 万方数据 2013年无线电工程第43卷弟1期 45
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