半圆螺旋天线的设计与优化

曾孝平 简 鑫

(重庆大学通信工程学院,重庆 400030)

1.引 言

常规短距离无线通信系统中,天线主要类型有线圈型、微带贴片型、偶极子型三种基本形式。其中,小于1 m的近距离应用系统一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线,它们主要工作在中低频;1 m以上的远距离应用系统需采用微带贴片型或偶极子型,其主要工作在高频和微波频段[1]。随着短距离无线通信系统应用环境的日趋复杂,这也对发射天线的形式提出了特殊的要求,如引信能量与数据的无线实时传输。

2.理论分析

2.1 金属腔体环境下发射天线的选型

特殊情况下,由于系统收发双方的特殊几何布局,使得常规应答天线无法完成通信双方有效的能量耦合与数据传输。如图1所示,当应答器处于特殊金属腔体结构中时,若收发天线均采用直螺旋线圈,阅读器线圈法向方向为X方向,应答器线圈法向方向为Y方向,两者相互垂直。根据电磁学基本原理,若采用常规的平面螺旋线圈或直螺旋线圈,阅读器产生的磁场将主要沿X方向,与磁场方向正交的应答器线圈将很难捕获磁场中的能量与数据信息,不利于应答器与阅读器之间的正常通信。

然而,当接收端应答器天线的大小和位置相对固定时,优化设计处于金属腔体之外的发射天线的几何形状与布局可解决上述电磁耦合难的问题。若发射天线采用半圆螺旋线圈(如图2所示),其磁场方向将平行于应答器线圈的法向方向,应答器线圈将可以从该磁场中有效地提取能量及数据信息。通过合理的几何布局与天线参数的优化设计,使应答器线圈处于发射场强最大位置处,还可提高发射天线工作效率,其优越性不言而喻。

图2 半圆螺旋线圈几何模型

2.2 半圆螺旋线圈的几何形式

螺旋是一种基本的三维几何形式。一根绕在均匀柱体表面的螺旋导线,当柱面展开成平面时,就变成了一条直导线。若向端面望去,一根螺旋投影成一个圆。因此,螺旋是结合了直线、圆、柱体的几何形式。此外,螺旋还具有旋向,既可以是左旋,也可以是右旋[1]。如图3所示,螺旋的几何描述需要用到下面参量：D为螺旋的直径;螺旋的周长C=πD;S为螺旋邻圈之间的节距;螺旋节距的升角 α=tan-1(S/πD);L为每圈的长度;n为圈数;A为螺旋的轴长,A=nS;d为螺旋导体线直径(这里假设为细铜导线)。

图3 直螺旋几何表示形式

半圆螺旋是一种特殊螺旋形式(如图2所示),它不是在柱面上(Z方向)的简单延伸,而是在XY面、XZ面上均按圆形延伸,构造出了一种特殊且奇妙的几何结构。对比图2与图3,半圆螺旋线圈可以看作是直螺旋线圈按圆弧在其纵深方向弯曲后形成的特殊几何结构。

为描述该几何体,将其与直螺旋的几何形式对比列出。直螺旋的几何表示为

半圆螺旋的几何表示为

式中,半圆螺旋几何参数定义如下：Rb为半圆直径;Rs为绕线直径;k为绕线匝数。

2.3 半圆螺旋天线设计一般步骤

半圆螺旋天线的优化设计中,待定参数有半圆直径Rb、绕线直径Rs、绕线匝数k和工作频率。为了有效地选取半圆螺旋的各几何参数,一般遵循如下优化设计流程。该流程不仅在工程项目中得到具体应用,也为同类问题提供了可靠的设计参考。半圆螺旋天线设计的一般步骤为：

1)根据系统收发双方有效工作距离,选取半圆直径Rb和工作频率;

2)根据收发双方所需传输能量的大小,也即半圆螺旋线圈对称面上最大场强大小,调节绕线匝数k以达到给定指标;

3)根据应答器接收天线几何尺寸,调节绕线直径Rs,以使最大场强区域覆盖整个接收天线;

4)利用步骤 1)、2)、3)优化设计后的各几何参数,确定半圆螺旋天线在工作频点上的输入阻抗以设计射频前端匹配电路。

3.实验结果分析

3.1 仿真方法的选取

短距离无线通信系统中,系统工作波长一般远大于螺旋线圈的几何尺寸,收发天线均可等效为电小模型,因而可采用准静态法(即静磁场分析的毕奥-萨伐尔定理)求解感兴趣区域的磁场大小。然而,准静态解法并没有考虑线圈之间的耦合效应,尤其是当线圈密绕时,线圈之间的耦合效应更强。所以,本文以有限元解法代替传统准静态法,完成半圆螺旋天线的参数设计及性能分析。

3.2 半圆直径与工作频率的选取

实际工程项目以ISO14443B标准为依托,工作频点为13.56 MHz;阅读器与应答器有效工作距离为100 mm;应答器天线采用直螺旋天线,线圈直径约等于40 mm,并处于特殊金属腔体结构中。

为验证该工作频点适用于所选取的半圆螺旋天线,在对半圆直径进行参数扫描的同时辅之以频率扫描。参数扫描时,固定另外两个参数：绕线直径Rs=20 mm;绕线匝数k=40匝;线圈材质为2 mm直径的细铜线。

图4、图5分别为频率为100 k Hz～1 MHz和1～400 MHz时,半圆螺旋对称面上最大场强位置与半圆直径Rb的关系。对比图4、图5可以看出：1)当频率较低时,各频点曲线几乎完全重合;这意味着：在低频段半圆螺旋对称面上最大场强位置对频率不敏感。2)该最大场强位置随着半圆直径Rb增加,呈周期性的指数增加。3)当Rs=20 mm、k=40匝时,Rb=200 mm附近,最大场强位置达到并超过100 mm,满足实际工程项目需要;Rb=125 mm附近有一个次优点,使有效工作距离接近100 mm.

由于频率的继续增加,波长持续减小,半圆螺旋天线相对于波长将成为电大模型,近区场出现散射情况,对称面上的磁场随即出现不规整的分布现象,此处略去频率大于400 MHz的结果。

3.3 线圈匝数的选取

半圆直径的选取过程中,较大的半圆直径有利于半圆螺旋对称面上最大场强位置距离的增加,即带来有效工作距离的增加。然而,随着半圆直径的不断增加,由于磁力线将在更广的区域里分布,最大场强区域的最大场强值却出现相应的下降。表1展示了半圆直径增加带来的场强下降效应。

表中：半圆直径单位为毫米;场强值单位为mV/m.由表1可知：半圆直径的增加将使最大场强值不断下降。

表1 对称面上最大场强值与Rb的关系(k=40)

为抑制因半圆直径增加带来的场强下降效应,可通过适当增加绕线匝数得到缓解。然而,线圈匝数也不能无限制地增加,因为匝数增加后,各匝线圈之间的耦合加强,可能出现最大场强区域不规整的现象。表2展示了绕线匝数增加对场强下降效应的改善。

表2 对称面上最大场强值与k的关系(Rb=200 mm)

表中,场强值单位为mV/m.

由表2可知：1)最大场强值随着绕线匝数的增加先增加后减小;2)绕线匝数过少(＜40)时,绕线线圈无法束缚磁力线,最大场强值会减小;3)绕线匝数过多(＞60)时,线圈间耦合效应将导致最大场区出现不规整现象,也会使最大场区场强减小。因此,适当选取绕线匝数(40～60)时,场强减小的趋势可得到适当缓解;并且绕线匝数的选取应密切联系半圆螺旋的半圆直径Rb来选取。

3.4 半圆螺旋对称面上磁力线分布

经分析,将半圆螺旋天线几何参数定型为Rb=200 mm、k=60匝、Rs=20 mm和工作频率为13.56 MHz,可满足工程要求。基于此,仿真分析以了解半圆螺旋线圈的主要工作特性。

图6为半圆螺旋线圈对称面上磁力线分布情况。图中每一小格是50 mm,可以发现：1)最大场强区域距离半圆螺旋约2小格,达到100 mm;2)最大场强覆盖区域接近1小格,可覆盖直径为40 mm的直螺旋天线,满足工程要求。因此,本文也不再对绕线半径Rs进行参数扫描分析;若该场强最大区域直径不能覆盖应答器天线,还需适当增大以满足要求。

3.5 半圆螺旋天线的输入阻抗特性

为了将设计好的半圆螺旋天线应用到实际电路中,馈电时必须考虑其输入阻抗特性,以实现射频前端电路与天线的匹配,使能量传输最大化。

图7、图8分别是频率为50 Hz～500 MHz时,半圆螺旋天线与偶极子天线输入阻抗实部、虚部对照图。对比图7、图8可以看出：1)半圆螺旋天线输入阻抗随频率的增大发生较大的振荡;该特性与偶极子天线的振荡特性类似;2)半圆螺旋天线输入阻抗实部远远小于其虚部,使其辐射功率较小,不适合用作远距离通信,但通过电感耦合却适合近距离通信,该特性与偶极子相反。

图6 半圆螺旋线圈对称面上场分布

实际工程项目中需对照工作频率标定半圆螺旋天线输入阻抗,并设计射频前端匹配电路;还可在半圆螺旋天线内加装铁氧体材料以提高其磁场束缚能力。

4.结 论

结合实际工程项目,设计了一款工作于13.56 MHz、有效作用距离达100 mm的短距离无线通信〛发射天线——半圆螺旋天线,解决了特殊金属环境下能量与数据一体化传输的难题;并在此基础上,利用有限元法求解工具ANSFOT-HFSS,详细描述了半圆螺旋天线优化设计过程及其主要工作特性。该文提出的新型半圆螺旋天线,可为后续科研工作提供实验指导并积累先验知识。

[1] KRAUS J D,MARHEFKA R J.天线[M].北京：电子工业出版社,2006：178-179.

[2] 杨显清,赵家升,王 园.电磁场与电磁波[M].北京：电子工业出版社,2005：341.

[3] ZIENKIEWICZ O C,TAYLOR R L.有限元方法基本原理[M].北京：清华大学出版社,2008.

[4] Makarov S N.通信天线建模与MATLAB仿真分析[M].北京：北京邮电大学出版社,2006.

[5] 谢拥军.ANSOFT HFSS基础及应用[M].北京：电子工业出版社,2009.

[6] 刘国强,赵凌志,蒋继娅.ANSOFT工程电磁场有限元分析[M].北京：电子工业出版社,2005.

[7] 纪奕才,郭景丽,刘其中.加载法向模螺旋天线的研究[J].电波科学学报,2002,17(6)：573-576+580.JI Yicai,GUO Jingli,LIU Qizhong.The loaded normal mode helical antennas[J].Chinese Journal of Radio Science,2002,17(6)：573-576+580.(in Chinese)

[8] 刘庭华,章文勋.一种新型的GSM/DCS印刷贴片天线单元[J].电波科学学报,2004,19(2)：171-175.LIU Tinghua,ZHANG Wenxun.A novel GSM/DCS printed patch antenna element[J].Chinese Journal of Radio Science,2004,19(2)：171-175.(in Chinese)

[9] 丁 君,张 勇,袁国靖.一种GSM宽带双频外置螺旋天线的设计与制作[J].电波科学学报,2006,21(2)：298-301.DING Jun,ZHANG Yong,YUAN Guojing.Design and fabricating of GSM broadband dual-frequency exterior helix antennas[J].Chinese Journal of Radio Science,2006,21(2)：298-301.(in Chinese)