半圓螺旋天線的設計與優化

曾孝平 簡 鑫

(重慶大學通信工程學院,重慶 400030)

1.引 言

常規短距離無線通信系統中,天線主要類型有線圈型、微帶貼片型、偶極子型三種基本形式。其中,小于1 m的近距離應用系統一般采用工藝簡單、成本低的線圈型天線,它們主要工作在中低頻;1 m以上的遠距離應用系統需采用微帶貼片型或偶極子型,其主要工作在高頻和微波頻段[1]。隨著短距離無線通信系統應用環境的日趨復雜,這也對發射天線的形式提出了特殊的要求,如引信能量與數據的無線實時傳輸。

2.理論分析

2.1 金屬腔體環境下發射天線的選型

特殊情況下,由于系統收發雙方的特殊幾何布局,使得常規應答天線無法完成通信雙方有效的能量耦合與數據傳輸。如圖1所示,當應答器處于特殊金屬腔體結構中時,若收發天線均采用直螺旋線圈,閱讀器線圈法向方向為X方向,應答器線圈法向方向為Y方向,兩者相互垂直。根據電磁學基本原理,若采用常規的平面螺旋線圈或直螺旋線圈,閱讀器產生的磁場將主要沿X方向,與磁場方向正交的應答器線圈將很難捕獲磁場中的能量與數據信息,不利于應答器與閱讀器之間的正常通信。

然而,當接收端應答器天線的大小和位置相對固定時,優化設計處于金屬腔體之外的發射天線的幾何形狀與布局可解決上述電磁耦合難的問題。若發射天線采用半圓螺旋線圈(如圖2所示),其磁場方向將平行于應答器線圈的法向方向,應答器線圈將可以從該磁場中有效地提取能量及數據信息。通過合理的幾何布局與天線參數的優化設計,使應答器線圈處于發射場強最大位置處,還可提高發射天線工作效率,其優越性不言而喻。

圖2 半圓螺旋線圈幾何模型

2.2 半圓螺旋線圈的幾何形式

螺旋是一種基本的三維幾何形式。一根繞在均勻柱體表面的螺旋導線,當柱面展開成平面時,就變成了一條直導線。若向端面望去,一根螺旋投影成一個圓。因此,螺旋是結合了直線、圓、柱體的幾何形式。此外,螺旋還具有旋向,既可以是左旋,也可以是右旋[1]。如圖3所示,螺旋的幾何描述需要用到下面參量：D為螺旋的直徑;螺旋的周長C=πD;S為螺旋鄰圈之間的節距;螺旋節距的升角 α=tan-1(S/πD);L為每圈的長度;n為圈數;A為螺旋的軸長,A=nS;d為螺旋導體線直徑(這里假設為細銅導線)。

圖3 直螺旋幾何表示形式

半圓螺旋是一種特殊螺旋形式(如圖2所示),它不是在柱面上(Z方向)的簡單延伸,而是在XY面、XZ面上均按圓形延伸,構造出了一種特殊且奇妙的幾何結構。對比圖2與圖3,半圓螺旋線圈可以看作是直螺旋線圈按圓弧在其縱深方向彎曲后形成的特殊幾何結構。

為描述該幾何體,將其與直螺旋的幾何形式對比列出。直螺旋的幾何表示為

半圓螺旋的幾何表示為

式中,半圓螺旋幾何參數定義如下：Rb為半圓直徑;Rs為繞線直徑;k為繞線匝數。

2.3 半圓螺旋天線設計一般步驟

半圓螺旋天線的優化設計中,待定參數有半圓直徑Rb、繞線直徑Rs、繞線匝數k和工作頻率。為了有效地選取半圓螺旋的各幾何參數,一般遵循如下優化設計流程。該流程不僅在工程項目中得到具體應用,也為同類問題提供了可靠的設計參考。半圓螺旋天線設計的一般步驟為：

1)根據系統收發雙方有效工作距離,選取半圓直徑Rb和工作頻率;

2)根據收發雙方所需傳輸能量的大小,也即半圓螺旋線圈對稱面上最大場強大小,調節繞線匝數k以達到給定指標;

3)根據應答器接收天線幾何尺寸,調節繞線直徑Rs,以使最大場強區域覆蓋整個接收天線;

4)利用步驟 1)、2)、3)優化設計后的各幾何參數,確定半圓螺旋天線在工作頻點上的輸入阻抗以設計射頻前端匹配電路。

3.實驗結果分析

3.1 仿真方法的選取

短距離無線通信系統中,系統工作波長一般遠大于螺旋線圈的幾何尺寸,收發天線均可等效為電小模型,因而可采用準靜態法(即靜磁場分析的畢奧-薩伐爾定理)求解感興趣區域的磁場大小。然而,準靜態解法并沒有考慮線圈之間的耦合效應,尤其是當線圈密繞時,線圈之間的耦合效應更強。所以,本文以有限元解法代替傳統準靜態法,完成半圓螺旋天線的參數設計及性能分析。

3.2 半圓直徑與工作頻率的選取

實際工程項目以ISO14443B標準為依托,工作頻點為13.56 MHz;閱讀器與應答器有效工作距離為100 mm;應答器天線采用直螺旋天線,線圈直徑約等于40 mm,并處于特殊金屬腔體結構中。

為驗證該工作頻點適用于所選取的半圓螺旋天線,在對半圓直徑進行參數掃描的同時輔之以頻率掃描。參數掃描時,固定另外兩個參數：繞線直徑Rs=20 mm;繞線匝數k=40匝;線圈材質為2 mm直徑的細銅線。

圖4、圖5分別為頻率為100 k Hz～1 MHz和1～400 MHz時,半圓螺旋對稱面上最大場強位置與半圓直徑Rb的關系。對比圖4、圖5可以看出：1)當頻率較低時,各頻點曲線幾乎完全重合;這意味著：在低頻段半圓螺旋對稱面上最大場強位置對頻率不敏感。2)該最大場強位置隨著半圓直徑Rb增加,呈周期性的指數增加。3)當Rs=20 mm、k=40匝時,Rb=200 mm附近,最大場強位置達到并超過100 mm,滿足實際工程項目需要;Rb=125 mm附近有一個次優點,使有效工作距離接近100 mm.

由于頻率的繼續增加,波長持續減小,半圓螺旋天線相對于波長將成為電大模型,近區場出現散射情況,對稱面上的磁場隨即出現不規整的分布現象,此處略去頻率大于400 MHz的結果。

3.3 線圈匝數的選取

半圓直徑的選取過程中,較大的半圓直徑有利于半圓螺旋對稱面上最大場強位置距離的增加,即帶來有效工作距離的增加。然而,隨著半圓直徑的不斷增加,由于磁力線將在更廣的區域里分布,最大場強區域的最大場強值卻出現相應的下降。表1展示了半圓直徑增加帶來的場強下降效應。

表中：半圓直徑單位為毫米;場強值單位為mV/m.由表1可知：半圓直徑的增加將使最大場強值不斷下降。

表1 對稱面上最大場強值與Rb的關系(k=40)

為抑制因半圓直徑增加帶來的場強下降效應,可通過適當增加繞線匝數得到緩解。然而,線圈匝數也不能無限制地增加,因為匝數增加后,各匝線圈之間的耦合加強,可能出現最大場強區域不規整的現象。表2展示了繞線匝數增加對場強下降效應的改善。

表2 對稱面上最大場強值與k的關系(Rb=200 mm)

表中,場強值單位為mV/m.

由表2可知：1)最大場強值隨著繞線匝數的增加先增加后減小;2)繞線匝數過少(＜40)時,繞線線圈無法束縛磁力線,最大場強值會減小;3)繞線匝數過多(＞60)時,線圈間耦合效應將導致最大場區出現不規整現象,也會使最大場區場強減小。因此,適當選取繞線匝數(40～60)時,場強減小的趨勢可得到適當緩解;并且繞線匝數的選取應密切聯系半圓螺旋的半圓直徑Rb來選取。

3.4 半圓螺旋對稱面上磁力線分布

經分析,將半圓螺旋天線幾何參數定型為Rb=200 mm、k=60匝、Rs=20 mm和工作頻率為13.56 MHz,可滿足工程要求?；诖?仿真分析以了解半圓螺旋線圈的主要工作特性。

圖6為半圓螺旋線圈對稱面上磁力線分布情況。圖中每一小格是50 mm,可以發現：1)最大場強區域距離半圓螺旋約2小格,達到100 mm;2)最大場強覆蓋區域接近1小格,可覆蓋直徑為40 mm的直螺旋天線,滿足工程要求。因此,本文也不再對繞線半徑Rs進行參數掃描分析;若該場強最大區域直徑不能覆蓋應答器天線,還需適當增大以滿足要求。

3.5 半圓螺旋天線的輸入阻抗特性

為了將設計好的半圓螺旋天線應用到實際電路中,饋電時必須考慮其輸入阻抗特性,以實現射頻前端電路與天線的匹配,使能量傳輸最大化。

圖7、圖8分別是頻率為50 Hz～500 MHz時,半圓螺旋天線與偶極子天線輸入阻抗實部、虛部對照圖。對比圖7、圖8可以看出：1)半圓螺旋天線輸入阻抗隨頻率的增大發生較大的振蕩;該特性與偶極子天線的振蕩特性類似;2)半圓螺旋天線輸入阻抗實部遠遠小于其虛部,使其輻射功率較小,不適合用作遠距離通信,但通過電感耦合卻適合近距離通信,該特性與偶極子相反。

圖6 半圓螺旋線圈對稱面上場分布

實際工程項目中需對照工作頻率標定半圓螺旋天線輸入阻抗,并設計射頻前端匹配電路;還可在半圓螺旋天線內加裝鐵氧體材料以提高其磁場束縛能力。

4.結 論

結合實際工程項目,設計了一款工作于13.56 MHz、有效作用距離達100 mm的短距離無線通信?發射天線——半圓螺旋天線,解決了特殊金屬環境下能量與數據一體化傳輸的難題;并在此基礎上,利用有限元法求解工具ANSFOT-HFSS,詳細描述了半圓螺旋天線優化設計過程及其主要工作特性。該文提出的新型半圓螺旋天線,可為后續科研工作提供實驗指導并積累先驗知識。

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