微波仿真論壇_線圈天線設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)

1、線圈天線設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)做了三四個月的線圈天線了，從剛開始的什么都不懂，到現(xiàn)在的知道自己什么不懂，也算是一個成長的過程，做了這么久，有點經(jīng)驗，寫在這里與大家分享一下。需求是13.56MHz的天線，就像刷公交卡的那種天線一樣，但不知道用什么形式的天線做，看了一兩個禮拜的微帶天線，參考教程在HFSS中做出了第一個微帶天線的仿真，正覺得有點進展的時候，老師一句話，用線圈天線做，我不得不改做線圈天線。然后就是各種資料的搜索與學(xué)習。線圈天線是一種很簡單的天線，復(fù)雜點說的話，就是用銅線（當然可以是其他材料）按照一定的形狀繞幾圈，ok，這就是線圈天線了，銅線的兩頭加上激勵源就可以發(fā)射了。（有興趣的同學(xué)可以把你手

2、中的公交卡打開，會發(fā)現(xiàn)它就是用的線圈天線，網(wǎng)上有這種教程，可以讓你把公交卡拆開，然后把完成公交卡功能的天線和芯片拿出來貼在手機后蓋和電池之間，這樣就可以很瀟灑的實現(xiàn)手機刷卡了，哈哈，不過要怎么充值就要自己想辦法了）當然，這個時候的線圈天線是不好用的，因為你對它的特性什么的都不了解。所以，打算先進行理論方面的研究。理論分析與Matlab仿真因為做的是類似于RFID的NFC的13.56MHz的線圈天線，天線在這個頻率一般都是使用磁場耦合來實現(xiàn)能量的傳遞，那么我們就對在這個時候線圈的磁場進行分析。網(wǎng)上關(guān)于矩形線圈的磁場分析有很多論文了，但我們還是自己做一下會理解的比較深刻，先復(fù)習一下電磁場的知識，正

3、好書上有一道例題講的就是長度為l的導(dǎo)線在周圍空間任意點產(chǎn)生的磁場公式，這里引入了矢量磁位A，因為矢量磁位A的方向與電流I的方向是相同的，而且對矢量磁位求旋度就是磁感應(yīng)強度B，這種性質(zhì)對線天線來講是很有用的。 矩形線圈我們先來研究單圈的矩形線圈天線。葉南根據(jù)有限長導(dǎo)線周圍磁感應(yīng)強度的公式，算出四條邊在空間某一點的矢量磁位A，由于兩兩方向相同，疊加之后就剩下了兩個方向的向量相加，這樣利于后面求旋度的處理；對空間某一點總矢量磁位A求旋度就得到了磁感應(yīng)強度B，只取B的Z方向大小Bz就得到了我們所關(guān)心的垂直方向磁感應(yīng)強度（因為刷卡的時候算磁通量只有垂直方向的是有效的）。這樣得到的是一個巨復(fù)雜的公式，用人

4、的肉眼直接觀察看不出來任何規(guī)律，于是借助Matlab的畫圖功能得到直觀的感受。Matlab的m文件內(nèi)容與圖片如下：clear all;clc;%參數(shù)設(shè)定l=1;%矩形線圈的邊長設(shè)為單位長度1I=1;%電流也是單位1u0=1;%畢奧薩法爾公式中需要用到的真空磁導(dǎo)率，由于是畫示意圖，所以取1即可 PI=3.14;%z=0.2; %這里設(shè)置距離矩形線圈的平面的高度x=-.5:0.05:.5;y=-.5:0.05:.5;X,Y=meshgrid(x,y);%在xy平面上得到需要作圖的區(qū)域點%以下是已經(jīng)推導(dǎo)出來的公式的輸入C0=u0*I/(4*PI);a=l/2+X;b=l/2-X;c=l/2+Y;d=

5、l/2-Y;-.5:0.1:.5X2=sqrt(b.2+z.2+d.2);X1=sqrt(a.2+z.2+d.2);A3z=C0*z./(X2+b)./(X1-a).*( (X1-a)./X2-(X2+b)./X1 );A3y=C0*(-d)./(X2+b)./(X1-a).*( (X1-a)./X2-(X2+b)./X1 );X2=sqrt(b.2+z.2+c.2);X1=sqrt(a.2+z.2+c.2);A4z=C0*z./(X2+b)./(X1-a).*( (X1-a)./X2-(X2+b)./X1 );A4y=C0*c./(X2+b)./(X1-a).*( (X1-a)./X2-(X

6、2+b)./X1 );C0=u0*I/(4*PI);a=l/2+Y;b=l/2-Y;c=l/2+X;d=l/2-X;X2=sqrt(b.2+z.2+d.2);X1=sqrt(a.2+z.2+d.2);A2z=C0*z./(X2+b)./(X1-a).*( (X1-a)./X2-(X2+b)./X1 );A2x=C0*(-d)./(X2+b)./(X1-a).*( (X1-a)./X2-(X2+b)./X1 );X2=sqrt(b.2+z.2+c.2);X1=sqrt(a.2+z.2+c.2);A1z=C0*z./(X2+b)./(X1-a).*( (X1-a)./X2-(X2+b)./X1 )

7、;葉南A1x=C0*c./(X2+b)./(X1-a).*( (X1-a)./X2-(X2+b)./X1 );Z=-(A1x-A2x-A3y+A4y);%作圖mesh(X,Y,Z);這是距離矩形線圈平面0.2高度（線圈邊長為1）的Bz大小分布，可以看出場強大小是中間強，四周弱。將這個m文件做成一個函數(shù)，變量為距離線圈的平面高度，并在另一個文件中調(diào)用這個函數(shù)，生成不同高度時Bz大小的不同分布。得到下圖：z=0.8z=1從左到右，從上到下依次是距離線圈平面高度為0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0的平面上Bz的大小，可以看出：四個角的磁場強度在Z=0的平面內(nèi)最強，而隨著Z的升高逐漸下降，且下

8、降速度快于中間部分場強。葉南再對這個m文件進行改進，仿真當線圈為7圈時候的圖形（修改之后的m文件相當于將這個m文件跑了7遍，每一遍都是不同長度的邊長，最后再將場強疊加就好了）。距離7圈矩形線圈平面不同高度時候的Bz大小分布如圖：從左到右，從上到下依次是距離線圈平面高度為0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0的平面上Bz的大小，可以對比看出：7圈與1圈的變化趨勢相同，只不過7圈比1圈的場強大小強了大約7倍。（這里忽略了很多效應(yīng)，只是做一個簡單的分析）圓形線圈我還想看看距離圓形線圈不同高度平面的場強分布圖，這個時候就不能應(yīng)用書上的有限長直導(dǎo)線公式了，想了半天不知道怎么推導(dǎo)，忽然靈機一動，反正我

9、們用的是Matlab進行仿真，為什么需要把公式做到很簡化呢？只要能跑出來最后的結(jié)果不就可以了，那我們完全可以直接使用最原始的畢奧薩法爾公式，然后使用Matlab進行積分仿真出圖。 圓形線圈的m文件與圖片如下：葉南clear all;clc;%參數(shù)設(shè)定r=1;%單位長度1I=1;%單位電流u0=1;%畢奧薩法爾公式中需要用到的真空磁導(dǎo)率，由于是畫示意圖，所以取1即可 PI=3.14;%C0=u0*I/(4*PI); %畢奧薩法爾公式的系數(shù)m=100;%把一個圓形分成100段進行積分t=2.*PI/m;%對弧度進行劃分n=0:(m-1);%坐標設(shè)定Px=-.5:0.05:.5;Py=-.5:0.0

10、5:.5;X,Y=meshgrid(Px,Py);%在xy平面上得到需要作圖的區(qū)域點l=length(Px);Pz=ones(1,l);Pz=0.6.*Pz; %這里定義高度x=r.*cos(n.*t); %畫出Z=0平面的圓形的各個坐標點y=r.*sin(n.*t);z=zeros(1,m);dl(1,m)=struct('x','y','z',); %新建存放dl的結(jié)構(gòu)體%求出dlfor i = 1:mj=mod(i,m);dl(i).x=x(j+1)-x(i);dl(i).y=y(j+1)-y(i);dl(i).z=0;endSumBx=z

11、eros(1,l.*l);SumBy=zeros(1,l.*l);SumBz=zeros(1,l.*l);%求和得到的各個點的場強值放在這里temp=1; %用來計數(shù)求出每個點的場強值for i = 1:lfor j=1:lfor k = 1:ma=dl(k).x dl(k).y dl(k).z;葉南b=Px(i)-x(k) Py(j)-y(k) Pz(i)-z(k);Rmod=sqrt(sum(abs(Px(i)-x(k) Py(j)-y(k) Pz(i)-z(k).2); dB=C0.*cross(a,b)/(Rmod.3);SumBx(temp) = SumBx(temp)+dB(1);

12、SumBy(temp) = SumBy(temp)+dB(2);SumBz(temp) = SumBz(temp)+dB(3);endtemp=temp+1;endendSumBz=reshape(SumBz,l,l);mesh(Px,Py,SumBz)上圖是距離圓形線圈0.6高度時候的Bz大小，不同高度的圖如下：z=0.8葉南從左到右，從上到下依次是距離圓形線圈平面高度為0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0的平面上Bz的大小，可以看出：四個角的磁場強度在Z=0的平面內(nèi)最強，而隨著Z的升高逐漸下降，且下降速度快于中間部分場強。這些特性都和矩形線圈很相似，但在變化速度上有所不同。圓形線圈比

13、較柔和一些。至此，Matlab的理論仿真基本上就做完了，我們大概的了解到了垂直方向磁場強度的變化趨勢，但這只是理論仿真，如果加上材料，周圍環(huán)境的影響，情況到底會是什么樣子呢？ HFSS仿真這個時候就用上了HFSS仿真，這可是電磁場仿真的利器，但我剛開始用的時候基本上不會用，又是一段痛苦的回憶，還是那句老話，在你仿真之前，一定要對基礎(chǔ)理論有所了解，不然就是無頭蒼蠅，四處碰壁啊，自己做不出來，去問別人，別人給你解答解答就會發(fā)現(xiàn)你基礎(chǔ)的薄弱，也就一句話“先看看基礎(chǔ)理論再來問吧”把你打發(fā)了，這也是情理之中的，所以，不要怕基礎(chǔ)理論困難，難者不會，會者不難，總有開始的第一步，慢慢走。由于在Matlab中的

14、仿真告訴我們，7圈和1圈性質(zhì)差不多（其實還是會有互感呀，臨近效應(yīng)之類的影響的，但7圈和1圈仿真時間真是天差地別），那么為了節(jié)省時間，我們就先從1圈做起，由簡到難。激勵加載在HFSS中畫好了模型，就是單圈線圈，但是不知道如何加激勵，這一點很尷尬，不知道是像波導(dǎo)那樣什么的選擇一個面設(shè)置為lumped port？要是選擇面的話應(yīng)該是選擇哪個面呢？要看哪些參數(shù)才知道自己加對沒有？等等各種問題，后來經(jīng)過不斷的在論壇上尋找，一不小心發(fā)現(xiàn)了一個加激勵的方式：把線圈的兩端用一個矩形平面連接起來，然后設(shè)置這個矩形平面為lumped port葉南這樣就ok了。觀察Hz加好激勵就開始仿真，Analyze結(jié)束之后就可

15、以看各種參量了。首先，我們先來驗證一下磁感應(yīng)強度是不是按照Matlab仿真中的規(guī)律變化。（1）在相對高度0.2,0.4,0.6,0.8處各畫一個平面（2）在HFSS中的Field Overlays中自定義一個公式，為Vcetor_H的ScalarZ，這樣才能看某一個平面高度的Hz葉南葉南（3）需要觀察的平面和需要觀察的對象都設(shè)置好之后，只要添加就好了先選中需要觀察的平面后，選擇Field Overlays的Plot Fields中的Named Expression，找到自己定義的變量就OK了Z=0的時候選擇Global:XY葉南出來的結(jié)果如圖：觀察金屬與鐵氧體對金屬線圈磁場的影響由于實際應(yīng)用中

16、的線圈經(jīng)常會受到外界的影響，這里我們就仿真一下在金屬與鐵氧體（經(jīng)常用做吸波材料）影響下的磁場。葉南金屬影響下的磁場由上圖可以看出，加在0.3位置的金屬片對其附近的0.2處的磁場產(chǎn)生了極大的影響，使0.2處的磁場強度驟降。相同的事情也在z=0.4處發(fā)生了。我們分析一下原因。先畫出Z=0.2,未在0.3位置加金屬的時候，H的大小與方向。（注意，這里不是Hz了）葉南再畫出Z=0.2,在0.3位置加金屬的時候，H的大小與方向。對比之后可以發(fā)現(xiàn)，有金屬部分的磁場強度明顯減弱；同時，磁場強度矢量H的方向發(fā)生了改變，由原來的垂直變得彎曲。聯(lián)系一下實際，手機的電池部分一般就是金屬吧，要是你刷公交卡的時候把手機

17、和卡放在一起，有時候就刷不出來，這就是因為手機覆蓋部分的磁場由于手機損耗等原因減小，同時手機附近的磁力線方向偏轉(zhuǎn)，這兩個原因?qū)е峦ㄟ^公交卡線圈天線的磁通量減弱，結(jié)果就是刷卡失敗。鐵氧體影響下的磁場在鐵氧體影響下的磁場，我們分析兩種情況，一種是在緊挨線圈下方加大于線圈大小的鐵氧體，一種是緊挨線圈下方加小于線圈大小的鐵氧體。首先來看看第一種情況，加鐵氧體的方式如下圖所示：葉南得到不同平面的場強Hz如下：由圖可知，在緊挨線圈下方加大于線圈大小的鐵氧體使得線圈在其上空產(chǎn)生的磁場強度受到極大的增強，我們來分析一下原因。我們先看看未加鐵氧體時Z=0平面上的H的大小與方向：可以看到磁力線凌亂不堪。葉南再看看

18、加鐵氧體時Z=0平面上的H的大小與方向：可以看到這個時候磁力線受到了鐵氧體的限制變得有規(guī)律，使得通過線圈的磁通增強。 接下來分析第二種情況。葉南可以看到對磁場增強的效果沒有第一種情況好，我們來分析一下原因?？纯丛诰o挨線圈下方加小于線圈大小的鐵氧體時，Z=0平面上H的大小與方向：可以看到有鐵氧體的部分電磁場受到了限制，但由于鐵氧體變小，所以受到限制的部分沒有第一種情況多，磁場也就沒有第一種情況規(guī)律，因此磁場增強效果也就沒有第一種情況好了。 最后我們觀察一下在金屬和鐵氧體同時出現(xiàn)時的情況。在有金屬的時候，我們發(fā)現(xiàn)金屬附近的磁場受到了干擾，減小的很厲害，那我們加上鐵氧體葉南看看情況會不會變好?？梢钥?/p>

19、到觀察平面上的磁場強度并沒有像前面所看到的那樣，受到金屬片影響變得很弱。這說明鐵氧體起到了隔離金屬影響的功能，由下圖更能體現(xiàn)出來這一點：從上圖可以看出金屬所產(chǎn)生的渦流損耗被吸波材料減弱了。由我們上面所進行的整體分析可以看出，磁場中的金屬有兩個作用，產(chǎn)生渦流損耗和壓偏磁力線方向；而鐵氧體也有兩個作用，屏蔽掉金屬的干擾和使磁力線更加集中。葉南阻抗匹配以上所進行的分析都是在線圈阻抗未匹配情況下做的定性分析，而在實際中應(yīng)用的線圈天線必須要進行阻抗匹配才能使用于能量傳遞的功率更大，即S11要小才行。主要的途徑就是調(diào)整線圈的諧振頻率達到13.56Mhz。剛開始的思路很簡單，因為線圈天線可以等效為一個諧振電

20、路，那根據(jù)公式f=1/2，只要在線圈的端口直接加電容或者電感就好了。（這里順便說一下，求諧振頻率的時候，要先把求解模式設(shè)置為Eigenmode，然后在Solution Data中查看諧振頻率，具體為什么我還沒有搞清楚。還有一種看諧振頻率的方式就是直接在Driven Modal中看S11是否在13.56MHz的時候達到最小，我的理解是這樣的，在S11最小的時候說明匹配最好，虛部肯定為零，而諧振頻率的時候虛部就是為零的，所以兩個頻率就應(yīng)該相等。雖然不嚴謹，但也差不多了。我一般就用這種方式，因為本征模求解有點耗時）為了調(diào)諧，我加各種電容各種電感，跑了好多天，加的方式跟激勵差不多，也是畫一個矩形片，但

21、是不設(shè)置為lumped port，而是Lumped RLC，加的位置也在端口處，如下圖：葉南但怎么加都不會調(diào)諧，也就是說諧振頻率怎樣都達不到13.56Mhz，在經(jīng)過一陣時間胡亂嘗試之后，我終于決定靜下心來看理論，同時也在論壇上問，加QQ群，問群里的人，總算有個熱心的大牛提示我用Smith圓圖來做匹配，于是我又惡補了一下Smith圓圖的知識，然后參考別人用Smith圓圖做匹配的論文，終于摸索出了一套匹配的路線，用的是集總元器件的L網(wǎng)絡(luò)匹配，為了方便計算，還用到了安捷倫的ADS2009，不用這個軟件也可以，但是就是要自己算，會增加一些工作量。廢話不說，我現(xiàn)在就介紹一下這種匹配方式。在匹配之前，我們

22、必須先對Smith圓圖有所了解，它是電壓反射系數(shù)的極坐標圖，我們就是利用畫在圖中的阻抗（或?qū)Ъ{）圓進行匹配。先得到線圈的阻抗，進行歸一化，找到歸一化阻抗在圓圖中的位置，然后將其按照一定規(guī)律移動到圓圖中心的匹配點（0,0）就好了。我們在線圈端口處加電容或電感，是并聯(lián)著加，還是串聯(lián)著加都會按照一定規(guī)律對該點在圖中的位置產(chǎn)生影響。具體如何移動請參考微波工程這本書，或者其他Smith圓圖的教材。這里只講一下操作步驟。（1）首先，我們要得到線圈的輸入阻抗ZL。在線圈兩端只加一個激勵源，lumped port就可以了，運行出結(jié)果，在Results中新建一個Data Table，如下圖所示：葉南然后選擇Z1

23、1點擊New Report，就能生成一個輸入阻抗值的表，每個頻率點有一個對應(yīng)的值，我們找到13.56MHz時候的那個值。這樣，我們就得到了線圈天線的輸入阻抗ZL，下面要進行的就是阻抗匹配的工作，這里就用到了ADS2009。（2）在ADS2009中進行阻抗匹配打開已經(jīng)安裝好的ADS2009，新建一個工程，在打開的原理圖畫出用集總元件表示的線圈天線輸入阻抗值ZL，比如上圖的例子是0.193822+8.416626i，那么就加入一個電阻，阻值為0.193822，再加入一個電感，電感值為L=8.416626/2*13.56*10e6=98.8nH。為了仿真，我們還要加入Simulation-S_Par

24、am中的端口Term與仿真控制器SP，以及Smith Chart Matching中的Smith圓圖，加上接地，并把元器件連接起來就得到了仿真電路。葉南然后選擇菜單欄DesignGuide中的Filter，選擇SmithChart，得到Smith圓圖的匹配工具。按照圖中的步驟做完之后點擊自動匹配會出現(xiàn)如下圖提示：葉南這四種方式都可以實現(xiàn)匹配，使ZL在Smith圓圖上的點移動到匹配點，但根據(jù)L匹配網(wǎng)絡(luò)的要求，由于zl點在1+jx圓外，我們應(yīng)該選擇左上角或者左下角這兩種匹配方式，這里，我們選擇左下角的匹配方式，直接點擊就可選擇，得到下圖：可以看到，zl點已經(jīng)實現(xiàn)了匹配，這個時候點擊Build AD

25、S Circuit就能直接在原理圖中生成電路。這個時候的SmithChart元件就代表著匹配電路，可以選中此元件并View-Push Into Hierarchy進行查看，就會得到：葉南這就是匹配電路了?；氐皆韴D，點擊Simulate按鈕進行仿真，使用矩形圖和Smith圓圖查看結(jié)果：發(fā)現(xiàn)匹配還不錯，但并不完美，這個是由于在輸入ZL時候軟件的自動修改引起的，沒關(guān)系，我們在后續(xù)的調(diào)整中可以補救過來，用ADS2009也只是得到一個大概的值。（3）在HFSS中實現(xiàn)集總匹配電路接下來就是將此匹配電路在HFSS中實現(xiàn)的問題了。這一步卡了我很久，在幾天的各種嘗試之后，終于在一次偶然的修改中實現(xiàn)了阻抗的匹配。 由于接地是相對的，我們只要把所有接地的端口連在一起就好了，觀察這個匹配電路，我們