摘    要：針對NFC（Near Field Communication）的天線的交互效率不高，導致傳輸信號不穩定的問題，可以分析天線的參數與電路的結構，使得天線性能達到最優。利用Ansoft HFSS(High Frequency Structure Simulator)進行環形天線的建模與分析，討論了天線的結構參數對天線性能的影響，提出了RLC電路對天線電感的影響，設計了串聯匹配電路。同時對天線的帶寬進行了優化，并對設計的耦合天線傳輸距離進行了仿真，確定最佳耦合距離從而提高天線的品質因數。結果表明：天線的回波損耗降低至-27.25 dB，最佳耦合距離為20 mm。

關鍵詞：近場通信;NFC天線;HFSS仿真;匹配電路;

0 前言

隨著射頻傳輸[1]技術的持續發展，近場通信的應用也在不斷擴大，由于其集成度高、穩定性好，因此在醫療、通信和生物化學等識別領域隨處可見。NFC技術是基于國際標準ISO14443A/B進行設計，其諧振中心頻率在13.56MHz上，能進行快速識別，如公交卡和身份 證[2]。通常NFC技術包含電路和天線設計，不同的設備所需天線的設計不盡相同，為了更好地滿足設計要求，通常會在設計的過程中探究天線性能來增加耦合效率。天線的設計對NFC系統的影響很大，故有必要對天線的結構進行仿真設計[3,4,5,6,7,8]。

目前國內外對天線的研究有很多，為了解決天線設計需要滿足通信要求，Thomas 等[9]對PCB厚度、天線匝數和天線面積等進行了分析，提出了解決天線平衡問題的三種方法；祝宇鴻等[10]對NFC天線的3個結構參數與天線中心頻率、輸入阻抗和等效電感值的關系進行分析，使得天線的回波損耗從-22.2dB降低到了-28.8dB；岳佳欣等[11]采用NDEF交換協議實現了兩個NFC設備之間的消息直接交換，并利用藍牙實現了遠距離傳輸；章娟等[12]采用HFSS軟件對天線進行建模、仿真、分析，設計天線線圈串聯匹配電路，有效降低了天線的回波損耗，增加了有效帶寬，提高了天線的傳輸效率；Ali S M 等[13]基于NFC研發了一款皮膚水分檢測系統，特點是采用了無電池的傳感器，并能智能監測人體不同時間段內水分含量并給出相應的分析；Perryman 等[14]研發出了無源植入式脊髓刺激器，為了提高接收能量、實現大電流刺激，可以使用半波長偶極子天線接收。

本次研究基于濕式離合器，探究NFC無線測試技術，對天線進行結構設計。基于HFSS進行天線設計，并聯合ADS進行阻抗匹配設計，從天線結構和電路參數兩大方面有效地分析了參數對天線電感的影響，并根據傳輸效率要求添加了串聯阻抗匹配電路，通過優化天線的端口電路使得天線穩定在13.56MHz的諧振頻率，從而達到最佳傳輸性能的目的。與此同時，通過分析S21的雙端口網絡，利用匹配后的天線探究傳輸距離對天線耦合性能的影響，并實現基于NFC無線傳輸與供能的目的。

1 NFC天線建模與仿真

1.1 天線理論基礎

天線是射頻傳輸系統的重要組成部分，通過電磁耦合發射電磁波信號進行信息和能量的交互，所以天線性能的好壞將會直接影響整個系統的性能。NFC天線的中心頻率處在13.56MHz的高頻頻段，其所求的波長過長，所以NFC天線采用板載天線的設計模型，將天線設計成環形或矩形，從而與電路進行連接，使得近場通信技術更加小型化、智能化。其設計流程圖如圖1所示。

圖1 天線設計流程圖 

根據諧振電路分析可以得出，NFC天線可以等效為串聯電路，如圖2所示[15]。

圖2 串聯等效電路 

圖中Cs為串聯寄生電容，Rs為串聯損耗電阻，Ls為串聯等效電感。由諧振等效電路分析得出，串聯等效電路的總阻抗較小，更適合距離更近的設備之間進行通信。而并聯等效電路的阻抗較大，導致電流變小，更適合于大功率的天線設計[2]。

1.2 NFC天線建模與影響因素

根據湯姆遜公式可以得出，NFC的電感設計為1～3 μH ,有利于匹配合適的電容。對于平面螺旋線圈，選取合適的線寬、匝數以及半徑進行建模，可以得出電感，從而保證天線傳輸的穩定性與可靠性。

本次設計的天線中心頻率為13.56MHz，采取的PCB基板為FR4（玻璃纖維環氧樹脂），天線采用的是Copper作為線圈材料。根據天線的設計要求，電感可作為天線的參考量，根據經驗公式[10]可以初步確定天線的電感為1.7μH，從而確定天線的半徑、線寬與匝數等。如圖3所示，首先在天線兩端設置‘集總端口激勵’，然后在天線外界設置理想邊界條件，之后依次進行求解頻率和掃頻范圍的設置，最后進行仿真分析。

圖3 環形天線模型 

根據天線仿真結果，需進一步研究電感值，其大小可表示為

式中，Zt為天線的阻抗，可以根據電感與阻抗和頻率之間的關系，建立環形天線模型，添加電感公式并進行求解計算，最終得出天線的電感值大小。

本次設計基于HFSS進行試驗，建立天線模型，并添加端口激勵，設置掃頻范圍。初步設定天線半徑為40mm，為保障天線性能穩定，故匝數設定為3匝，線寬設置為0.8mm，使得天線的電感保持在1~3 μH,其天線的模型參數如表1所示，設置中心頻率進行仿真，得出天線的電L=1.77μH，其回波損耗為-19.6dB，可知與初步預設天線的電感一致。

表1 環形天線結構參數

參數	半徑/mm	線寬/mm	匝數	基板厚度/mm
數據	40	0.8	3	10

天線的傳輸品質主要取決于天線的電感值，本次設計基于射頻天線的電感進行仿真，分別探討了天線的結構以及電路的變化對天線電感的影響，所以選取了3個結構參數（半徑、線寬和匝數）、3個電路參數(電感、電阻和電容)進行分析，可以得出6個參數對電感的影響。在全波三維電磁仿真軟件中建立模型并設置相應的參數，從而得到天線的電感結果如下所示：

1）天線的半徑R1對電感的影響。半徑R1的改變可以直接影響天線圍成的有效面積，對整個電磁場的影響很大。根據上述參數，可以固定線寬和匝數不變，設置半徑R1從35mm到45mm范圍變化，仿真結果如圖4所示。可以看出，當半徑R1變大時，天線的電感隨之增大，從35mm的1.42μH逐漸增加到45mm的2.2μH。

圖4 半徑R1對電感的影響 

2）天線線寬W對電感的影響。走線寬度的改變會影響環形天線的整體結構，依然會影響電感值。設置線寬為變量，從0.6mm逐漸變化到1.0mm，其結果如圖5所示。可以看出，此時天線的電感值從1.87μH逐漸下降到了1.57μH，電感隨著線寬W的增加而下降。

圖5 線寬W對電感的影響 

3）天線匝數N對電感的影響。天線的匝數對電感的影響很大，從磁感應強度的變化可以看出電感隨著匝數的增大而增大。于是建立2、3、4匝的線圈，其結果如圖6所示，天線電感由0.87μH增加到了3.15 μH。

圖6 匝數N對電感的影響 

4）串聯電阻R對電感的影響。串聯電阻有效降低了電路中的電流，引起仿真電感值下降。如圖7所示，電感的數值隨著電阻的增大而減小，由串聯50歐姆的1.8μH降低到了150歐姆的1.76μH。

圖7 電阻R對電感的影響 

5）并聯電容C對電感的影響。并聯電容會導致天線的內部等效電容變小，中心頻率保持13.56 MHz條件下，電容變小會導致電感升高。如圖8所示，并聯電容從15pF增加到45pF使得電感從1.7μH增加到4.0μH。

圖8 并聯電容C對電感的影響 

6）串聯電感L對電感的影響。串聯電感可以增大天線的固有電感值，如圖9所示，將天線串聯50nH、100nH以及150nH，可以得到天線的電感從50nH的1.84μH逐漸增加到150nH的1.94μH。

圖9 串聯電感L對電感的影響 

通過對參數的對比分析，本次研究發現如果想要增加天線的強度，就要增加匝數、半徑、并聯電容、串聯電感的數值。與此同時，也可以考慮減小天線串聯電阻和線寬，以達到設計天線的目的。

2 串聯匹配電路及優化

阻抗匹配是指信號源或傳輸線跟負載之間的傳輸效率達到最優，天線性能的好壞取決于天線的回波損耗S11。為提高天線交互效率，可用Smith工具進行匹配，將天線的阻抗匹配到50歐姆，同時調整天線的品質因數和帶寬[15]。由電阻R與品質因數Q的關系可得

式中，Rs為諧振頻率在13.56MHz下的等效電阻，R為需要串聯的等效電阻，這樣就能求出天線外部需要串聯的電阻值。根據式2可以得出需要串聯電阻值為14歐姆。

根據串聯匹配電路的等效模型，還需確定串聯電容和并聯電容的大小，借助Smith圓進行高頻電路的匹配。其反射系數為

其中Zl是歸一負載值50歐姆，即負載值與傳輸線的特征阻抗值的比值。為保證帶寬設定不小，需調整帶寬與品質因數之間的關系，初步設定帶寬為1MHz，從而可以得出品質因數為10[10]。確定已知參量，匹配所需電容和電阻的大小，從Smith結果可以得到，若要達到50歐姆標準匹配電路，最終匹配電路參數如表2所示。

表2 匹配電路參數

參數	串聯電阻/?	并聯電容/pF	串聯電容/pF	品質因數	帶寬/MHz
數值	14	32.5	42.5	10	1

在HFSS中添加對應的集總RLC形式的電路，通過仿真得到的回波損耗S11的諧振點并不在13.56MHz下，存在一定的誤差，根據Smith的阻抗規律，其中上半圓呈感性，下半圓呈容性。并聯電容越大，阻抗點移動位置越遠；串聯電容越大，阻抗點移動位置越近；串聯電阻越大，天線帶寬越大。

匹配結果顯示，諧振點位于Smith上方，于是進行優化設計，將串聯電容適當變小，可以優化天線的回波損耗。將優化后的匹配電路重新添加到HFSS中再次運行，可以得到優化后的S11圖和Smith圖，如圖10所示，圖中m1表示諧振頻率在13.56MHz下的Smith點，且其值位于50歐姆標準匹配中心處，符合預期要求。

圖10 天線史密斯圓圖 

天線的回波損耗是代表天線的傳輸能力, 其中要求天線的回波損耗要低于-10dB，才能極大發揮天線性能，提高傳輸效率。根據圖11可以看出天線的回波損耗由開始的-19.6dB降到了優化后的-27.25dB，說明天線完全匹配且性能較強，滿足設計要求。

圖11 天線回波損耗圖 

3 耦合分析

3.1 天線耦合參數

微波系統的主要研究是信號和能量，信號主要是研究幅頻和相頻特性，而能量則研究傳輸效率的高低。因此，在處理高頻網絡時，將引入散射參數來反映入射波、反射波的關系，從而得到器件端口的反射信號以及從該端口傳向另一端口的信號。S參數即兩個復數之比，包含有關信號的幅度和相位。如圖12為雙端口網絡，包含入射波和反射波，其中S11表示輸出端口是端口1反射波，輸入端口也是端口1的入射波，S21就是端口1到端口2的正向傳輸系數。

圖12 雙端口網絡 

3.2 天線耦合分析

天線的傳輸效率用耦合系數K表示，其中K值接近于1，其關系式[16]：

為驗證耦合天線是否滿足設計要求，在設計的基礎上進行仿真天線耦合，將2個完全一致的原標準匹配天線同時導入HFSS系統，并設定初始化參數以及邊界條件，運行結果如圖13所示

將天線的性能參數固定，耦合距離d設為變量參數進行仿真。從S21系數進行分析，可以看出隨著天線耦合從10mm逐漸增加到30mm時，中心頻率在13.56MHz條件下的傳輸效率S21是先增加后減小，由反射系數的定義可知，反射系數越低，天線的性能越強。由測試結果看出，天線最低反射系數為-5.89dB。這是因為當距離很近的天線進行耦合時，天線等效的電感、電容與電阻會干擾其磁場，導致傳輸能力下降。若天線距離過遠，由于磁感應強度降低同樣會導致耦合線圈傳輸效能下降。所以，根據本次設計結果，為使天線傳輸效率最優，最佳的耦合距離為20mm。

圖13 耦合距離d對傳輸系數S21的影響

4 結論

天線的應用逐漸智能化、小型化，其高頻天線的傳輸效率一直都是研究的重點。通過從天線交互效率出發，對天線進行結構性設計和電路的仿真。與原始天線相比，本次設計可以得出以下結論：

1)天線串聯電阻和增加線寬可以降低天線的電感值，而匝數、半徑、并聯電容等參數的增加可以提高天線的電感值。可以在設計天線的過程中將以上參數考慮在內，使得NFC天線電感控制在最佳范圍內。

2)對天線帶寬和品質因數進行優化，以達到最佳交互效率。通過串聯匹配電路對天線進行優化，將天線中心頻率在13.56MHz條件下的回波損耗降低到了-27.25dB，滿足設計要求。并對Smith圓圖進行分析，得出并聯電容越大，阻抗點移動位置越遠；串聯電容越大，阻抗點移動位置越近；串聯電阻越大，天線帶寬越大的結論。

3)綜合分析了耦合天線傳輸效率隨距離的變化，確定了該天線的最佳匹配距離為20mm，并驗證了天線的交互效率隨著耦合距離的變化先增大后減小的規律，最佳耦合距離與天線的結構以及匹配電路的設計有關。

通過從天線結構、電路匹配和耦合分析綜合考慮，極大程度滿足了天線的設計要求，提升了射頻傳輸的穩定性和可靠性。本文的研究結果對NFC射頻天線的設計均具有極強的指導意義和參考價值。

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文章來源重慶理工大學學報(自然科學)