基于HFSS的NFC天线研究与设计
摘 要：针对NFC（Near Field Communication）的天线的交互效率不高，导致传输信号不稳定的问题，可以分析天线的参数与电路的结构，使得天线性能达到最优。利用Ansoft HFSS(High Frequency Structure Simulator)进行环形天线的建模与分析，讨论了天线的结构参数对天线性能的影响，提出了RLC电路对天线电感的影响，设计了串联匹配电路。同时对天线的带宽进行了优化，并对设计的耦合天线传输距离进行了仿真，确定最佳耦合距离从而提高天线的品质因数。结果表明：天线的回波损耗降低至-27.25 dB，最佳耦合距离为20 mm。
关键词：近场通信;NFC天线;HFSS仿真;匹配电路;
0 前言
随着射频传输[1]技术的持续发展，近场通信的应用也在不断扩大，由于其集成度高、稳定性好，因此在医疗、通信和生物化学等识别领域随处可见。NFC技术是基于国际标准ISO14443A/B进行设计，其谐振中心频率在13.56MHz上，能进行快速识别，如公交卡和身份 证[2]。通常NFC技术包含电路和天线设计，不同的设备所需天线的设计不尽相同，为了更好地满足设计要求，通常会在设计的过程中探究天线性能来增加耦合效率。天线的设计对NFC系统的影响很大，故有必要对天线的结构进行仿真设计[3,4,5,6,7,8]。
目前国内外对天线的研究有很多，为了解决天线设计需要满足通信要求，Thomas 等[9]对PCB厚度、天线匝数和天线面积等进行了分析，提出了解决天线平衡问题的三种方法；祝宇鸿等[10]对NFC天线的3个结构参数与天线中心频率、输入阻抗和等效电感值的关系进行分析，使得天线的回波损耗从-22.2dB降低到了-28.8dB；岳佳欣等[11]采用NDEF交换协议实现了两个NFC设备之间的消息直接交换，并利用蓝牙实现了远距离传输；章娟等[12]采用HFSS软件对天线进行建模、仿真、分析，设计天线线圈串联匹配电路，有效降低了天线的回波损耗，增加了有效带宽，提高了天线的传输效率；Ali S M 等[13]基于NFC研发了一款皮肤水分检测系统，特点是采用了无电池的传感器，并能智能监测人体不同时间段内水分含量并给出相应的分析；Perryman 等[14]研发出了无源植入式脊髓刺激器，为了提高接收能量、实现大电流刺激，可以使用半波长偶极子天线接收。
本次研究基于湿式离合器，探究NFC无线测试技术，对天线进行结构设计。基于HFSS进行天线设计，并联合ADS进行阻抗匹配设计，从天线结构和电路参数两大方面有效地分析了参数对天线电感的影响，并根据传输效率要求添加了串联阻抗匹配电路，通过优化天线的端口电路使得天线稳定在13.56MHz的谐振频率，从而达到最佳传输性能的目的。与此同时，通过分析S21的双端口网络，利用匹配后的天线探究传输距离对天线耦合性能的影响，并实现基于NFC无线传输与供能的目的。
1 NFC天线建模与仿真
1.1 天线理论基础
天线是射频传输系统的重要组成部分，通过电磁耦合发射电磁波信号进行信息和能量的交互，所以天线性能的好坏将会直接影响整个系统的性能。NFC天线的中心频率处在13.56MHz的高频频段，其所求的波长过长，所以NFC天线采用板载天线的设计模型，将天线设计成环形或矩形，从而与电路进行连接，使得近场通信技术更加小型化、智能化。其设计流程图如图1所示。
图1 天线设计流程图
根据谐振电路分析可以得出，NFC天线可以等效为串联电路，如图2所示[15]。
图2 串联等效电路
图中Cs为串联寄生电容，Rs为串联损耗电阻，Ls为串联等效电感。由谐振等效电路分析得出，串联等效电路的总阻抗较小，更适合距离更近的设备之间进行通信。而并联等效电路的阻抗较大，导致电流变小，更适合于大功率的天线设计[2]。
1.2 NFC天线建模与影响因素
根据汤姆逊公式可以得出，NFC的电感设计为1～3 μH ,有利于匹配合适的电容。对于平面螺旋线圈，选取合适的线宽、匝数以及半径进行建模，可以得出电感，从而保证天线传输的稳定性与可靠性。
本次设计的天线中心频率为13.56MHz，采取的PCB基板为FR4（玻璃纤维环氧树脂），天线采用的是Copper作为线圈材料。根据天线的设计要求，电感可作为天线的参考量，根据经验公式[10]可以初步确定天线的电感为1.7μH，从而确定天线的半径、线宽与匝数等。如图3所示，首先在天线两端设置‘集总端口激励’，然后在天线外界设置理想边界条件，之后依次进行求解频率和扫频范围的设置，最后进行仿真分析。
图3 环形天线模型
根据天线仿真结果，需进一步研究电感值，其大小可表示为
式中，Zt为天线的阻抗，可以根据电感与阻抗和频率之间的关系，建立环形天线模型，添加电感公式并进行求解计算，最终得出天线的电感值大小。
本次设计基于HFSS进行试验，建立天线模型，并添加端口激励，设置扫频范围。初步设定天线半径为40mm，为保障天线性能稳定，故匝数设定为3匝，线宽设置为0.8mm，使得天线的电感保持在1~3 μH,其天线的模型参数如表1所示，设置中心频率进行仿真，得出天线的电L=1.77μH，其回波损耗为-19.6dB，可知与初步预设天线的电感一致。
表1 环形天线结构参数
参数 |
半径/mm |
线宽/mm |
匝数 |
基板厚度/mm |
数据 |
40 |
0.8 |
3 |
10 |
天线的传输品质主要取决于天线的电感值，本次设计基于射频天线的电感进行仿真，分别探讨了天线的结构以及电路的变化对天线电感的影响，所以选取了3个结构参数（半径、线宽和匝数）、3个电路参数(电感、电阻和电容)进行分析，可以得出6个参数对电感的影响。在全波三维电磁仿真软件中建立模型并设置相应的参数，从而得到天线的电感结果如下所示：
1）天线的半径R1对电感的影响。半径R1的改变可以直接影响天线围成的有效面积，对整个电磁场的影响很大。根据上述参数，可以固定线宽和匝数不变，设置半径R1从35mm到45mm范围变化，仿真结果如图4所示。可以看出，当半径R1变大时，天线的电感随之增大，从35mm的1.42μH逐渐增加到45mm的2.2μH。
图4 半径R1对电感的影响
2）天线线宽W对电感的影响。走线宽度的改变会影响环形天线的整体结构，依然会影响电感值。设置线宽为变量，从0.6mm逐渐变化到1.0mm，其结果如图5所示。可以看出，此时天线的电感值从1.87μH逐渐下降到了1.57μH，电感随着线宽W的增加而下降。
图5 线宽W对电感的影响
3）天线匝数N对电感的影响。天线的匝数对电感的影响很大，从磁感应强度的变化可以看出电感随着匝数的增大而增大。于是建立2、3、4匝的线圈，其结果如图6所示，天线电感由0.87μH增加到了3.15 μH。
图6 匝数N对电感的影响
4）串联电阻R对电感的影响。串联电阻有效降低了电路中的电流，引起仿真电感值下降。如图7所示，电感的数值随着电阻的增大而减小，由串联50欧姆的1.8μH降低到了150欧姆的1.76μH。
图7 电阻R对电感的影响
5）并联电容C对电感的影响。并联电容会导致天线的内部等效电容变小，中心频率保持13.56 MHz条件下，电容变小会导致电感升高。如图8所示，并联电容从15pF增加到45pF使得电感从1.7μH增加到4.0μH。
图8 并联电容C对电感的影响
6）串联电感L对电感的影响。串联电感可以增大天线的固有电感值，如图9所示，将天线串联50nH、100nH以及150nH，可以得到天线的电感从50nH的1.84μH逐渐增加到150nH的1.94μH。
图9 串联电感L对电感的影响
通过对参数的对比分析，本次研究发现如果想要增加天线的强度，就要增加匝数、半径、并联电容、串联电感的数值。与此同时，也可以考虑减小天线串联电阻和线宽，以达到设计天线的目的。
2 串联匹配电路及优化
阻抗匹配是指信号源或传输线跟负载之间的传输效率达到最优，天线性能的好坏取决于天线的回波损耗S11。为提高天线交互效率，可用Smith工具进行匹配，将天线的阻抗匹配到50欧姆，同时调整天线的品质因数和带宽[15]。由电阻R与品质因数Q的关系可得
式中，Rs为谐振频率在13.56MHz下的等效电阻，R为需要串联的等效电阻，这样就能求出天线外部需要串联的电阻值。根据式2可以得出需要串联电阻值为14欧姆。
根据串联匹配电路的等效模型，还需确定串联电容和并联电容的大小，借助Smith圆进行高频电路的匹配。其反射系数为
其中Zl是归一负载值50欧姆，即负载值与传输线的特征阻抗值的比值。为保证带宽设定不小，需调整带宽与品质因数之间的关系，初步设定带宽为1MHz，从而可以得出品质因数为10[10]。确定已知参量，匹配所需电容和电阻的大小，从Smith结果可以得到，若要达到50欧姆标准匹配电路，最终匹配电路参数如表2所示。
表2 匹配电路参数
参数 |
串联电阻/Ώ |
并联电容/pF |
串联电容/pF |
品质因数 |
带宽/MHz |
数值 |
14 |
32.5 |
42.5 |
10 |
1 |
在HFSS中添加对应的集总RLC形式的电路，通过仿真得到的回波损耗S11的谐振点并不在13.56MHz下，存在一定的误差，根据Smith的阻抗规律，其中上半圆呈感性，下半圆呈容性。并联电容越大，阻抗点移动位置越远；串联电容越大，阻抗点移动位置越近；串联电阻越大，天线带宽越大。
匹配结果显示，谐振点位于Smith上方，于是进行优化设计，将串联电容适当变小，可以优化天线的回波损耗。将优化后的匹配电路重新添加到HFSS中再次运行，可以得到优化后的S11图和Smith图，如图10所示，图中m1表示谐振频率在13.56MHz下的Smith点，且其值位于50欧姆标准匹配中心处，符合预期要求。
图10 天线史密斯圆图
天线的回波损耗是代表天线的传输能力, 其中要求天线的回波损耗要低于-10dB，才能极大发挥天线性能，提高传输效率。根据图11可以看出天线的回波损耗由开始的-19.6dB降到了优化后的-27.25dB，说明天线完全匹配且性能较强，满足设计要求。
图11 天线回波损耗图
3 耦合分析
3.1 天线耦合参数
微波系统的主要研究是信号和能量，信号主要是研究幅频和相频特性，而能量则研究传输效率的高低。因此，在处理高频网络时，将引入散射参数来反映入射波、反射波的关系，从而得到器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号。S参数即两个复数之比，包含有关信号的幅度和相位。如图12为双端口网络，包含入射波和反射波，其中S11表示输出端口是端口1反射波，输入端口也是端口1的入射波，S21就是端口1到端口2的正向传输系数。
图12 双端口网络
3.2 天线耦合分析
天线的传输效率用耦合系数K表示，其中K值接近于1，其关系式[16]：
为验证耦合天线是否满足设计要求，在设计的基础上进行仿真天线耦合，将2个完全一致的原标准匹配天线同时导入HFSS系统，并设定初始化参数以及边界条件，运行结果如图13所示
将天线的性能参数固定，耦合距离d设为变量参数进行仿真。从S21系数进行分析，可以看出随着天线耦合从10mm逐渐增加到30mm时，中心频率在13.56MHz条件下的传输效率S21是先增加后减小，由反射系数的定义可知，反射系数越低，天线的性能越强。由测试结果看出，天线最低反射系数为-5.89dB。这是因为当距离很近的天线进行耦合时，天线等效的电感、电容与电阻会干扰其磁场，导致传输能力下降。若天线距离过远，由于磁感应强度降低同样会导致耦合线圈传输效能下降。所以，根据本次设计结果，为使天线传输效率最优，最佳的耦合距离为20mm。
图13 耦合距离d对传输系数S21的影响
4 结论
天线的应用逐渐智能化、小型化，其高频天线的传输效率一直都是研究的重点。通过从天线交互效率出发，对天线进行结构性设计和电路的仿真。与原始天线相比，本次设计可以得出以下结论：
1)天线串联电阻和增加线宽可以降低天线的电感值，而匝数、半径、并联电容等参数的增加可以提高天线的电感值。可以在设计天线的过程中将以上参数考虑在内，使得NFC天线电感控制在最佳范围内。
2)对天线带宽和品质因数进行优化，以达到最佳交互效率。通过串联匹配电路对天线进行优化，将天线中心频率在13.56MHz条件下的回波损耗降低到了-27.25dB，满足设计要求。并对Smith圆图进行分析，得出并联电容越大，阻抗点移动位置越远；串联电容越大，阻抗点移动位置越近；串联电阻越大，天线带宽越大的结论。
3)综合分析了耦合天线传输效率随距离的变化，确定了该天线的最佳匹配距离为20mm，并验证了天线的交互效率随着耦合距离的变化先增大后减小的规律，最佳耦合距离与天线的结构以及匹配电路的设计有关。
通过从天线结构、电路匹配和耦合分析综合考虑，极大程度满足了天线的设计要求，提升了射频传输的稳定性和可靠性。本文的研究结果对NFC射频天线的设计均具有极强的指导意义和参考价值。
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文章来源重庆理工大学学报(自然科学)
