基于HFSS的NFC天線設計與仿真

章娟 穆元彬 袁煉紅 宋卓奇 陳鵬飛

摘? 要：近場通信（NFC）技術近年來被廣泛用于人體生理信號感知測量系統，但是天線結構的不良設計，將會帶來回波損耗偏高、帶寬不足等問題，進而影響可穿戴設備的用戶體驗。針對這一問題，文章采用Ansoft HFSS軟件對天線進行建模、仿真、分析，借助Smith V2.0工具，設計天線線圈串聯匹配電路，使得天線在13.56 MHz時回波損耗降低到-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。

關鍵詞：NFC；HFSS仿真；回波損耗

中圖分類號：TN82? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：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

健康問題一直以來都是全人類共同關注的話題，人體的主要生理參數如心電、呼吸、體溫、脈率、血壓和血氧飽和度等，與許多疾病的預防與治療息息相關。體溫、呼吸、脈搏、血壓作為臨床最常見的四大生命體征，是衡量患者機體是否正常的關鍵指標。為此，不少學者[1-3]開發了各種可穿戴設備用以監測人體的這些指標，并利用無線的形式傳輸到終端上，以便實現人體生命健康的日常監控和遠程指導。這些監測人體多項生理參數的穿戴式技術雖然可實現對人體無創、非介入式的日常健康管理和監測，然而它們都使用了傳統的紐扣電池作為能源來為系統供電，不僅使用壽命短，穿戴也不方便。為此，近年來，有學者開始研究無線無源可穿戴傳感器，Chung[4]等人基于近場通信開發了嬰幼兒監護系統，實現了穿戴舒適及無源傳輸。王紀彬[5]等人則基于近場通信開發了用于人體監控的高精度溫度測試儀。在這些設備中，天線是關鍵部分，會對系統整體性能產生影響，它不僅可以發射和接受信息，完成數據雙向通信[6-8]，另外，還可進行能量轉換，實現無源讀取數據。為此，如何設計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監測關鍵。本研究采取一種輕量級、低成本的設計理念，設計了一種用于生理信號感知系統通信的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對等效電感、串聯匹配電路、回波損耗等的影響。

1? NFC工作原理

天線產生的電磁場，可劃分為三個不同的區域：感應近場、輻射近場和輻射遠場。NFC天線工作在近場耦合區，又被稱為近場通信，其天線長度也遠小于傳統天線，通信距離也很短，只有0～20 cm，實際使用時通常在10 cm以內[9，10]。

圖1是NFC天線通信原理圖，閱讀器端的天線和標簽端的天線本質上都是耦合線圈。通過近場耦合的方式完成能量的傳遞和信息的交互[11]。根據畢奧-薩伐爾定律[12]，不斷變換的電流會產生磁場，閱讀器端的天線線圈在交流電流的作用下，會產生磁場，當標簽端天線進入該磁場，根據法拉第電磁感應定律[13]，會產生感應電動勢，此電動勢就是標簽端的電源，為其正常工作提供能量；同理，標簽端天線再將數據信息傳遞給閱讀器端天線中，實現了線圈之間的能量和信息的高效傳遞[14]。

2? NFC天線設計

2.1? NFC天線的等效電路

NFC天線系統屬于電感耦合系統，天線主要是繞線線圈，通過諧振電路，閱讀器可以將能量傳輸至標簽系統上。根據經驗，并聯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，適合應用在功率較高的閱讀器天線電路中，而串聯諧振方式使得電路擁有最小的阻抗，最大的電流，適合應用在距離較小的讀寫器當中，綜合考慮，本文采用串聯諧振電路，等效電路圖如圖2所示。其中Ra、La和Ca分別為標簽天線的等效電阻、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。NFC天線的工作頻率為13.56 MHz，當線圈的寄生電容和等效電感無法實現13.56 MHz的諧振頻率時，需要在天線外部通過串并聯電容的方式來設計LC諧振電路，使得諧振頻率為13.56 MHz。串并聯的電容大小需要在計算出線圈天線的寄生電容后，才能得到具體的數值。

2.2? NFC天線的重要參數

線圈的電感Lant是重要的參數之一，理論的計算公式為[15]：

（2）

式（2）是用來估算線圈天線電感L參數，其單位為nH；l1為一圈天線的長度，其單位為cm；D1為PCB線圈導線的寬度，其單位為cm，N為線圈的匝數。當天線線圈是矩形時，K的取值為1.47；當天線線圈是環形時，K的取值為1.07[16]。

由式（2）可知，電感的值和線圈的長度、線圈的形狀、線圈的匝數、線圈之間的距離有關系，線圈天線的尺寸越大，需要強調的是，當其他外在條件相同時，天線的等效電感值隨著天線的尺寸增大而增大，會使得天線的有效工作距離變大，但是由式（1）可知，電感的數值太大，勢必會導致電容的數值很小，調諧電容的匹配變得很困難。根據實踐經驗，電感的取值范圍在0.5～3 μH[17]之間，電容匹配比較容易實現。

品質因數是線圈天線的關鍵技術指標，用Q表示。如式（3）所示，表示為在諧振電路下存儲的能量與每個周期內消耗的能量之比的2π倍[18]，由此可以看出，品質因數Q值體現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。根據天線帶寬的經驗法則：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）

因此在串聯諧振電路中，品質因數Q等于：

（6）

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

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

（7）

RL是一個負數，單位為dB，理想情況下，當系統電路的阻抗完全匹配時，此時回波反射功率P-為0，RL為無窮小。實際上，完全的阻抗匹配是無法實現的。P-一定存在的。最惡劣的情況下P-=P+，也就是輸入信號全部被反射，此時RL最大，為0。因此可以通過觀察RL參數，來檢驗設計匹配電路是否合適，天線的性能是否優越。

電壓駐波比也是天線的重要參數，用駐波波腹電壓與波節電壓幅度之比來表征，用VSWR表示。當VSWR=1時，線路阻抗匹配成功，高頻能量全部被轉換成電磁波發射出去，沒有反射損耗；當VSWR=1無窮大時，線路阻抗匹失敗，能量完全沒有輻射出去，全被反射損耗掉。在設計匹配電路時，可以通過觀察VSWR參數，來檢驗設計的匹配電路是否合適，天線的性能是否優越。

因此設計天線時，要綜合考慮電感、電阻、電容的值。才能保證天線在工作時，工作距離、帶寬、品質因數、回波損耗、電壓駐波比等參數合適。

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、品質因數和通信距離都大，而且商用天線多采用矩形線圈結構，故標簽天線最終采用的矩形線圈。

考慮NFC實際應用中的小型化、大電感、低損耗、合適的品質因數和工作帶寬等設計目標需求，同時為了充分利用空間，本文設計矩形標簽天線采用雙層鏡像設計，實現結構上的創新，也留下足夠的空間給其他元器件布局使用。利用Ansoft公司開發的全波三維電磁仿真軟件（High Frequency Structure Simulator， HFSS）進行建模仿真以驗證方法的可行性。

線圈天線的參數主要包括線圈的長度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，集總端口以及匹配電路設計在Input和Gnd之間。優化后的NFC標簽天線長邊和寬邊都為30 mm，正、反面線圈匝數都為3匝，線寬為0.5 mm，線間距為1 mm，介質基板厚度為1 mm，實現微型化設計需求。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，中心頻率設置為13.56 MHz，掃描頻率范圍先后設為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，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? 串聯匹配電路設計

在天線能量傳遞過程中，理想的狀況是天線的能量全部轉化為電磁波的能量，此時，天線是純電阻狀態，在3.1小節里，我們發現在13.56 MHz時，阻抗值虛部明顯不為零，因此要設計匹配電路，實現在13.56 MHz時電路共軛匹配。

在設計匹配電路時，我們需要知道天線本身的等效參數，串聯電阻、串聯電容、并聯電容值。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因素。因此可以通過設置串聯電阻Rs的阻值，使得系統的帶寬值和品質因數值都合適。根據系統需要的品質因數Q值，來確立Rs的數值。電路中總電阻值Rs-tol為：

（8）

需要串聯的電阻Rs的數值為：

（9）

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

經過修正優化后，將串聯電阻Rs，串聯電容Cs和并聯電容Cp以集總參數的形式加入模型中，仿真的史密斯圓圖如圖7所示。13.56 MHz的頻點幾乎落在純電阻線上。

3.3? 回波損耗參數仿真

在HFSS軟件中，回波損耗RL參數仿真結果如圖8所示，可知，在頻率為13.56 MHz時，回波損耗數值為-31.58 dB，-10 dB以下的有效帶寬為0.85 MHz。電壓駐波比參數的仿真結果如圖9所示，可得在13.56 MHz時電壓駐波比為1.054 1，以上性能數據表明，NFC線圈天線阻抗匹配良好，在13.56 MHz的頻率點上，參數值可以滿足近場通信中對天線性能的要求的。

4? 結? 論

本文對NFC天線進行了結構的優化，使用雙層鏡像線圈的設計思路，減小了天線的尺寸，更容易集成在可穿戴設備上，設計了系統的串聯匹配電路，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1，參數值是可以滿足近場通常對天線的要求的。本文的設計方法對其他頻段的天線或者其他應用場景下的NFC天線設計具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1] NASIRI S，KHOSRAVANI M R. Progress and challenges in fabrication of wearable sensors for health monitoring [J/OL].Sensors and Actuators A：Physical，2020，312[2022-10-18].https：//linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0924424720306361.

[2] GENG Y Q，CAO R，INNOCENT M T，et al. A high-sensitive wearable sensor based on conductive polymer composites for body temperature monitoring [J/OL].Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2022，163[2022-10-18].https：//linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1359835X2200450X.

[3] DINH T，NGUYEN T，PHAN H P，et al. Stretchable respiration sensors：Advanced designs and multifunctional platforms for wearable physiological monitoring [J/OL].Biosensors and Bioelectronics，2020，166[2022-10-19].https：//linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S095656632030453X.

[4] CHUNG H U，KIM B H，LEE J Y，et al. Binodal，wireless epidermal electronic systems with in-sensor analytics for neonatal intensive care [J].Science，2019，363（6430）：947-947.

[5] 王紀彬，王文廉.NFC無源體溫測量系統 [J].傳感技術學報，2019，32（8）：1271-1275.

[6] 張帆.王文廉.王玉.近場通信技術下的無源心率檢測方法 [J].中國測試，2021，47（12）：14-23.

[7] LIAO L D，WANG Y L，YUNG C T，et al. Design and Implementation of a Multifunction Wearable Device to Monitor Sleep Physiological Signals [J].Micromachines，2020，11（7）：672.

[8] HU X Q，CAO J R，WU H. A wearable device for collecting multi-signal parameters of newborn [J].Computer Communications，2020，154：269-277.

[9] 董尚文.NFC天線結構設計及性能研究 [D].長春：吉林大學，2018.

[10] 萬昊.基于NFC的無源無線可穿戴式體溫監測系統 [D].南京：東南大學，2020.

[11] 趙永峰.NFC無源無線測量系統設計與應用 [D].太原：中北大學，2022.

[12] 石仁斌，陳曉釗.淺析畢奧-薩伐爾定律的應用 [J].電子元器件與信息技術，2020，4（5）：151-152+155.

[13] 張承祖，房慶安.法拉第電磁感應定律實驗創新設計研究 [J].物理教師，2020，41（6）：44-46.

[14] 張帆.NFC無源無線測量系統及穿戴式即時檢測應用 [D].太原：中北大學，2021.

[15] 張雪芳，李龍，張軒銘，等.基于電磁超材料的13.56 MHz NFC天線系統設計 [C]//2018年全國微波毫米波會議論文集（上冊）.成都：[出版社不詳]，2018：135-138.

[16] 祝宇鴻，董尚文，李紅陽.新型13.56MHz NFC天線的研究與設計 [J].吉林大學學報：信息科學版，2017（5）：481-486.

[17] 孫英，劉乃源，翁玲，等.基于鎵基液態金屬的高帶寬柔性NFC標簽天線設計及特性測試 [J].儀器儀表學報，2021，42（7）：216-225.

[18] 楊曉昆.基于磁諧振的無線信號與能量復用傳輸研究 [D].貴陽：貴州大學，2019.

[19] 戴彩艷，蔡堅勇，陳銀燕，等.13.56MHz RFID讀寫器天線的設計與仿真 [J].無線電工程，2013，43（1）：42-45.

[20] LONG S J，WEI P. Design of NFC Tag Loop Antenna Based on PCB Material [J].Advanced Materials Research，2014，1082：547-550.

作者簡介：章娟（1990—），女，漢族，江蘇宿遷人，助教，碩士研究生，研究方向：無線傳感網絡、人工智能與機器學習、嵌入式系統；穆元彬（1986—），男，漢族，山東泰安人，講師，碩士研究生，研究方向：無線傳感網絡、智能微系統和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、應用電子技術。

收稿日期：2023-01-16

基金項目：杭州科技職業技術學院一般課題（HKYZXYB-2022-2）；杭州科技職業技術學院重點課題（HKYZXZD-2022-1）；浙江省大學生新苗計劃（2022R457A002）