基于HFSS的NFC天線設(shè)計(jì)與仿真

章娟 穆元彬 袁煉紅 宋卓奇 陳鵬飛

摘? 要：近場(chǎng)通信（NFC）技術(shù)近年來(lái)被廣泛用于人體生理信號(hào)感知測(cè)量系統(tǒng)，但是天線結(jié)構(gòu)的不良設(shè)計(jì)，將會(huì)帶來(lái)回波損耗偏高、帶寬不足等問(wèn)題，進(jìn)而影響可穿戴設(shè)備的用戶體驗(yàn)。針對(duì)這一問(wèn)題，文章采用Ansoft HFSS軟件對(duì)天線進(jìn)行建模、仿真、分析，借助Smith V2.0工具，設(shè)計(jì)天線線圈串聯(lián)匹配電路，使得天線在13.56 MHz時(shí)回波損耗降低到-31.58 dB，-10 dB以下的帶寬為0.85 MHz，天線的電壓駐波比為1.05，有效降低了天線的回波損耗，增加了有效帶寬。

關(guān)鍵詞：NFC；HFSS仿真；回波損耗

中圖分類號(hào)：TN82? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）05-0045-05

Design and Simulation of NFC Antenna Based on HFSS

ZHANG Juan， MU Yuanbin， YUAN Lianhong， SONG Zhuoqi， CHEN Pengfei

（Hangzhou Polytechnic， Hangzhou? 311402， China）

Abstract： Near field communication （NFC） technology has been widely used in human physiological signal perception and measurement systems in recent years. However， the poor design of antenna structure will lead to problems such as high return loss and insufficient bandwidth， which will affect the user experience of wearable devices. In order to solve this problem， this paper uses Ansoft HFSS software to model， simulate and analyze the antenna. With the help of SmithV 2.0 tool， the antenna coil series matching circuit is designed to reduce the return loss of the antenna to -31.58 dB at 13.56 MHz， the bandwidth below -10 dB is 0.85 MHz， and the voltage standing wave ratio of the antenna line is 1.05， which effectively reduces the return loss of the antenna and increases the effective bandwidth.

Keywords： NFC; HFSS simulation; return loss

0? 引? 言

健康問(wèn)題一直以來(lái)都是全人類共同關(guān)注的話題，人體的主要生理參數(shù)如心電、呼吸、體溫、脈率、血壓和血氧飽和度等，與許多疾病的預(yù)防與治療息息相關(guān)。體溫、呼吸、脈搏、血壓作為臨床最常見(jiàn)的四大生命體征，是衡量患者機(jī)體是否正常的關(guān)鍵指標(biāo)。為此，不少學(xué)者[1-3]開(kāi)發(fā)了各種可穿戴設(shè)備用以監(jiān)測(cè)人體的這些指標(biāo)，并利用無(wú)線的形式傳輸?shù)浇K端上，以便實(shí)現(xiàn)人體生命健康的日常監(jiān)控和遠(yuǎn)程指導(dǎo)。這些監(jiān)測(cè)人體多項(xiàng)生理參數(shù)的穿戴式技術(shù)雖然可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體無(wú)創(chuàng)、非介入式的日常健康管理和監(jiān)測(cè)，然而它們都使用了傳統(tǒng)的紐扣電池作為能源來(lái)為系統(tǒng)供電，不僅使用壽命短，穿戴也不方便。為此，近年來(lái)，有學(xué)者開(kāi)始研究無(wú)線無(wú)源可穿戴傳感器，Chung[4]等人基于近場(chǎng)通信開(kāi)發(fā)了嬰幼兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了穿戴舒適及無(wú)源傳輸。王紀(jì)彬[5]等人則基于近場(chǎng)通信開(kāi)發(fā)了用于人體監(jiān)控的高精度溫度測(cè)試儀。在這些設(shè)備中，天線是關(guān)鍵部分，會(huì)對(duì)系統(tǒng)整體性能產(chǎn)生影響，它不僅可以發(fā)射和接受信息，完成數(shù)據(jù)雙向通信[6-8]，另外，還可進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)無(wú)源讀取數(shù)據(jù)。為此，如何設(shè)計(jì)一款可以跟人體阻抗較好匹配的NFC（Near Field Communication）天線是確保生理參數(shù)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵。本研究采取一種輕量級(jí)、低成本的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了一種用于生理信號(hào)感知系統(tǒng)通信的NFC天線。文章首先介紹了天線的工作原理及影響因素，隨后提出了一種NFC天線模型，并基于HSFF分析了天線幾何參數(shù)對(duì)等效電感、串聯(lián)匹配電路、回波損耗等的影響。

1? NFC工作原理

天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，可劃分為三個(gè)不同的區(qū)域：感應(yīng)近場(chǎng)、輻射近場(chǎng)和輻射遠(yuǎn)場(chǎng)。NFC天線工作在近場(chǎng)耦合區(qū)，又被稱為近場(chǎng)通信，其天線長(zhǎng)度也遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)天線，通信距離也很短，只有0～20 cm，實(shí)際使用時(shí)通常在10 cm以內(nèi)[9，10]。

圖1是NFC天線通信原理圖，閱讀器端的天線和標(biāo)簽端的天線本質(zhì)上都是耦合線圈。通過(guò)近場(chǎng)耦合的方式完成能量的傳遞和信息的交互[11]。根據(jù)畢奧-薩伐爾定律[12]，不斷變換的電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，閱讀器端的天線線圈在交流電流的作用下，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)標(biāo)簽端天線進(jìn)入該磁場(chǎng)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律[13]，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)就是標(biāo)簽端的電源，為其正常工作提供能量；同理，標(biāo)簽端天線再將數(shù)據(jù)信息傳遞給閱讀器端天線中，實(shí)現(xiàn)了線圈之間的能量和信息的高效傳遞[14]。

2? NFC天線設(shè)計(jì)

2.1? NFC天線的等效電路

NFC天線系統(tǒng)屬于電感耦合系統(tǒng)，天線主要是繞線線圈，通過(guò)諧振電路，閱讀器可以將能量傳輸至標(biāo)簽系統(tǒng)上。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，并聯(lián)諧振方式使得電路擁有最大的阻抗，最小的電流，最大的電壓，適合應(yīng)用在功率較高的閱讀器天線電路中，而串聯(lián)諧振方式使得電路擁有最小的阻抗，最大的電流，適合應(yīng)用在距離較小的讀寫(xiě)器當(dāng)中，綜合考慮，本文采用串聯(lián)諧振電路，等效電路圖如圖2所示。其中Ra、La和Ca分別為標(biāo)簽天線的等效電阻、等效電感和寄生電容。

由湯姆遜公式可知：

（1）

由式（1）可知，天線的諧振頻率與天線的等效電感L以及線圈等效電容C有關(guān)。NFC天線的工作頻率為13.56 MHz，當(dāng)線圈的寄生電容和等效電感無(wú)法實(shí)現(xiàn)13.56 MHz的諧振頻率時(shí)，需要在天線外部通過(guò)串并聯(lián)電容的方式來(lái)設(shè)計(jì)LC諧振電路，使得諧振頻率為13.56 MHz。串并聯(lián)的電容大小需要在計(jì)算出線圈天線的寄生電容后，才能得到具體的數(shù)值。

2.2? NFC天線的重要參數(shù)

線圈的電感Lant是重要的參數(shù)之一，理論的計(jì)算公式為[15]：

（2）

式（2）是用來(lái)估算線圈天線電感L參數(shù)，其單位為nH；l1為一圈天線的長(zhǎng)度，其單位為cm；D1為PCB線圈導(dǎo)線的寬度，其單位為cm，N為線圈的匝數(shù)。當(dāng)天線線圈是矩形時(shí)，K的取值為1.47；當(dāng)天線線圈是環(huán)形時(shí)，K的取值為1.07[16]。

由式（2）可知，電感的值和線圈的長(zhǎng)度、線圈的形狀、線圈的匝數(shù)、線圈之間的距離有關(guān)系，線圈天線的尺寸越大，需要強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)其他外在條件相同時(shí)，天線的等效電感值隨著天線的尺寸增大而增大，會(huì)使得天線的有效工作距離變大，但是由式（1）可知，電感的數(shù)值太大，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致電容的數(shù)值很小，調(diào)諧電容的匹配變得很困難。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，電感的取值范圍在0.5～3 μH[17]之間，電容匹配比較容易實(shí)現(xiàn)。

品質(zhì)因數(shù)是線圈天線的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，用Q表示。如式（3）所示，表示為在諧振電路下存儲(chǔ)的能量與每個(gè)周期內(nèi)消耗的能量之比的2π倍[18]，由此可以看出，品質(zhì)因數(shù)Q值體現(xiàn)天線能量的利用效率。

（3）

（4）

此外，由式（4）可知，Q與帶寬成反比，Q值越高，帶寬越小。根據(jù)天線帶寬的經(jīng)驗(yàn)法則：3 dB的Q值帶寬約為10 dB回波損耗帶寬的兩倍[19]，3 dB功率帶寬為：

（5）

因此在串聯(lián)諧振電路中，品質(zhì)因數(shù)Q等于：

（6）

由式（5）（6）可知，在串聯(lián)諧振電路中，帶寬與串聯(lián)電路中的等效電阻成正比，品質(zhì)因數(shù)Q值與等效電阻成反比[20]。合適的帶寬是線路無(wú)失真的傳送副載波信號(hào)的前提，為了保證通信系統(tǒng)合適的帶寬，品質(zhì)因數(shù)Q值不能太大，一般Q的取值范圍為10～30，最大不超過(guò)60，在13.56 MHz系統(tǒng)中，Q的取值通常設(shè)置為6～15[17]，本文在設(shè)計(jì)匹配電阻時(shí)，Q的取值為10。

回波損耗（Return Loss， RL）是天線的重要參數(shù)，它指的是射頻輸入信號(hào)反射回來(lái)的功率與輸入信號(hào)功率的比值。如式（7）：

（7）

RL是一個(gè)負(fù)數(shù)，單位為dB，理想情況下，當(dāng)系統(tǒng)電路的阻抗完全匹配時(shí)，此時(shí)回波反射功率P-為0，RL為無(wú)窮小。實(shí)際上，完全的阻抗匹配是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。P-一定存在的。最惡劣的情況下P-=P+，也就是輸入信號(hào)全部被反射，此時(shí)RL最大，為0。因此可以通過(guò)觀察RL參數(shù)，來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)匹配電路是否合適，天線的性能是否優(yōu)越。

電壓駐波比也是天線的重要參數(shù)，用駐波波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比來(lái)表征，用VSWR表示。當(dāng)VSWR=1時(shí)，線路阻抗匹配成功，高頻能量全部被轉(zhuǎn)換成電磁波發(fā)射出去，沒(méi)有反射損耗；當(dāng)VSWR=1無(wú)窮大時(shí)，線路阻抗匹失敗，能量完全沒(méi)有輻射出去，全被反射損耗掉。在設(shè)計(jì)匹配電路時(shí)，可以通過(guò)觀察VSWR參數(shù)，來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的匹配電路是否合適，天線的性能是否優(yōu)越。

因此設(shè)計(jì)天線時(shí)，要綜合考慮電感、電阻、電容的值。才能保證天線在工作時(shí)，工作距離、帶寬、品質(zhì)因數(shù)、回波損耗、電壓駐波比等參數(shù)合適。

3? NFC天線的仿真

3.1? NFC天線的模型

NFC線圈天線基本形狀為矩形和圓形，由于邊長(zhǎng)為圓形直徑的矩形線圈天線的面積比圓形線圈面積大27.3%[14]，具有相同面積的矩形線圈比圓形天線的等效電感、品質(zhì)因數(shù)和通信距離都大，而且商用天線多采用矩形線圈結(jié)構(gòu)，故標(biāo)簽天線最終采用的矩形線圈。

考慮NFC實(shí)際應(yīng)用中的小型化、大電感、低損耗、合適的品質(zhì)因數(shù)和工作帶寬等設(shè)計(jì)目標(biāo)需求，同時(shí)為了充分利用空間，本文設(shè)計(jì)矩形標(biāo)簽天線采用雙層鏡像設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，也留下足夠的空間給其他元器件布局使用。利用Ansoft公司開(kāi)發(fā)的全波三維電磁仿真軟件（High Frequency Structure Simulator， HFSS）進(jìn)行建模仿真以驗(yàn)證方法的可行性。

線圈天線的參數(shù)主要包括線圈的長(zhǎng)度Lx，線圈的寬度Ly，線圈寬度W及線圈間距S等。NFC天線可等效為：線圈長(zhǎng)邊Lx、寬邊Ly，以W為線徑，以S為間距繞制而成，Input和Gnd作為饋電點(diǎn)，集總端口以及匹配電路設(shè)計(jì)在Input和Gnd之間。優(yōu)化后的NFC標(biāo)簽天線長(zhǎng)邊和寬邊都為30 mm，正、反面線圈匝數(shù)都為3匝，線寬為0.5 mm，線間距為1 mm，介質(zhì)基板厚度為1 mm，實(shí)現(xiàn)微型化設(shè)計(jì)需求。天線線圈模型示意圖如圖3所示。

在HFSS軟件中建立線圈天線的模型，中心頻率設(shè)置為13.56 MHz，掃描頻率范圍先后設(shè)為0～80 MHz，5～20 MHz，利用HFSS自帶的仿真軟件，得到天線的阻抗值和等效電感值，分別如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，在頻率為13.56 MHz時(shí)，電感值約為1.830 7 μH，電感值的大小在1～3 μH之間[14]，符合要求，電阻值為0.198 4 Ω，天線本身的諧振頻率為50.68 MHz，自諧振阻抗值為29.81 kΩ。

3.2? 串聯(lián)匹配電路設(shè)計(jì)

在天線能量傳遞過(guò)程中，理想的狀況是天線的能量全部轉(zhuǎn)化為電磁波的能量，此時(shí)，天線是純電阻狀態(tài)，在3.1小節(jié)里，我們發(fā)現(xiàn)在13.56 MHz時(shí)，阻抗值虛部明顯不為零，因此要設(shè)計(jì)匹配電路，實(shí)現(xiàn)在13.56 MHz時(shí)電路共軛匹配。

在設(shè)計(jì)匹配電路時(shí)，我們需要知道天線本身的等效參數(shù)，串聯(lián)電阻、串聯(lián)電容、并聯(lián)電容值。借助HFSS軟件獲得線圈天線的等效電感La、寄生電容Ca、等效電阻Ra。由式（6）可知，電阻值影響線圈天線的帶寬和品質(zhì)因素。因此可以通過(guò)設(shè)置串聯(lián)電阻Rs的阻值，使得系統(tǒng)的帶寬值和品質(zhì)因數(shù)值都合適。根據(jù)系統(tǒng)需要的品質(zhì)因數(shù)Q值，來(lái)確立Rs的數(shù)值。電路中總電阻值Rs-tol為：

（8）

需要串聯(lián)的電阻Rs的數(shù)值為：

（9）

利用SmithV 2.0工具，獲得串聯(lián)匹配電路中串聯(lián)電容Cs和并聯(lián)電容Cp值，最終確定線圈串聯(lián)匹配電路的參數(shù)為：串聯(lián)電阻Rs=15.3 Ω，并聯(lián)電容Cp=42.7 pF，串聯(lián)電容Cs=33 pF，匹配后的電路如圖6所示。

經(jīng)過(guò)修正優(yōu)化后，將串聯(lián)電阻Rs，串聯(lián)電容Cs和并聯(lián)電容Cp以集總參數(shù)的形式加入模型中，仿真的史密斯圓圖如圖7所示。13.56 MHz的頻點(diǎn)幾乎落在純電阻線上。

3.3? 回波損耗參數(shù)仿真

在HFSS軟件中，回波損耗RL參數(shù)仿真結(jié)果如圖8所示，可知，在頻率為13.56 MHz時(shí)，回波損耗數(shù)值為-31.58 dB，-10 dB以下的有效帶寬為0.85 MHz。電壓駐波比參數(shù)的仿真結(jié)果如圖9所示，可得在13.56 MHz時(shí)電壓駐波比為1.054 1，以上性能數(shù)據(jù)表明，NFC線圈天線阻抗匹配良好，在13.56 MHz的頻率點(diǎn)上，參數(shù)值可以滿足近場(chǎng)通信中對(duì)天線性能的要求的。

4? 結(jié)? 論

本文對(duì)NFC天線進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使用雙層鏡像線圈的設(shè)計(jì)思路，減小了天線的尺寸，更容易集成在可穿戴設(shè)備上，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的串聯(lián)匹配電路，最終獲得電感值在1～

2 μH之間，有效帶寬為0.85 MHz，在13.56 MHz處的回波損耗為-31.58 dB、電壓駐波比為1.054 1，逼近于1，參數(shù)值是可以滿足近場(chǎng)通常對(duì)天線的要求的。本文的設(shè)計(jì)方法對(duì)其他頻段的天線或者其他應(yīng)用場(chǎng)景下的NFC天線設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：章娟（1990—），女，漢族，江蘇宿遷人，助教，碩士研究生，研究方向：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)、嵌入式系統(tǒng)；穆元彬（1986—），男，漢族，山東泰安人，講師，碩士研究生，研究方向：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、智能微系統(tǒng)和MEMS傳感器、柔性電子器件制作；袁煉紅（1965—），男，漢族，浙江杭州人，講師，碩士研究生，研究方向：傳感器技術(shù)、應(yīng)用電子技術(shù)。

收稿日期：2023-01-16

基金項(xiàng)目：杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院一般課題（HKYZXYB-2022-2）；杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點(diǎn)課題（HKYZXZD-2022-1）；浙江省大學(xué)生新苗計(jì)劃（2022R457A002）