微波仿真論壇-線圈天線設計經(jīng)驗總結

1、葉南線圈天線設計經(jīng)驗總結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習。線圈天線是一種很簡單的天線，復雜點說的話，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。（有興趣的同學可以把

2、你手中的公交卡打開，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，先復習一下電磁場的知識

3、，正好書上有一道例題講的就是長度為丨的導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強度B,這種性質(zhì)對線天線來講是很有用的。矩形線圈根據(jù)有限長導線周圍磁感應強度的公式，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強度B,只取B的Z方向大小Bz就得到了我們所關心的垂直方向磁感應強度(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雜的公式，用人的肉眼直接觀察看不出來任何規(guī)律，于

4、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：clearall;clc;%參數(shù)設定1=1;%矩形線圈的邊長設為單位長度11=1;%電流也是單位1uO=1;%畢奧薩法爾公式中需要用到的真空磁導率，由于是畫示意圖，所以取1即可Pl=3.14;%nz=0.2;%這里設置距離矩形線圈的平面的高度x=-.5:O.O5:.5;y=-.5:O.O5:.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)推導出來的公式的輸入CO=uO*l/(4*Pl);a=l/2+X;b=l/2-X;c=l/2+Y;d=l/2-Y;-.5:O.1:.5X2=

5、sqrt(b.A2+z.A2+d.A2);X1=sqrt(a.A2+z.A2+d.A2);A3z=CO*z./(X2+b)./(X1-a).*(X1-a)./X2-(X2+b)./X1);A3y=CO*(-d)./(X2+b)./(X1-a).*(X1-a)./X2-(X2+b)./X1);X2=sqrt(b.A2+z.A2+c.A2);X1=sqrt(a.A2+z.A2+c.A2);A4z=CO*z./(X2+b)./(X1-a).*(X1-a)./X2-(X2+b)./X1);A4y=CO*c./(X2+b)./(X1-a).*(X1-a)./X2-(X2+b)./X1);CO=uO*l/

6、(4*Pl);a=l/2+Y;b=l/2-Y;c=l/2+X;d=l/2-X;X2=sqrt(b.A2+z.A2+d.A2);X1=sqrt(a.A2+z.A2+d.A2);A2z=CO*z./(X2+b)./(X1-a).*(X1-a)./X2-(X2+b)./X1);A2x=CO*(-d)./(X2+b)./(X1-a).*(X1-a)./X2-(X2+b)./X1);X2=sqrt(b.A2+z.A2+c.A2);X1=sqrt(a.A2+z.A2+c.A2);A1z=CO*z./(X2+b)./(X1-a).*(X1-a)./X2-(X2+b)./X1);A1x=C0*c./(X2+b

7、)./(X1-a).*(X1-a)./X2-(X2+b)./X1);Z=-(A1x-A2x-A3y+A4y);%作圖mesh(X,Y,Z);葉南葉南64200.50.5-0.5-0.50.80.60.40.200.5z=0.2|0.80.60.40.200.50.5-0.5-0.5z=1z=0.60.40.30.20.100.50.5-0.5-0.50-0.5-0.50.250.20.150.10.050.5-0.5-0.50.120.10.080.060.040.5-0.5-0.5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

8、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：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，且下降速度快于中間部分場強。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）。十距離7圈矩形線圈平面不同高度時候的Bz大小分布如圖：z=0:0.2|II-0.5-0.5z=0:0.2121.510.50.50.5-0

9、.5-0.564200.50.5-0.5-0.5z=0:0.211.510.500.50.5-0.5-0.5z=0:0.21432100.50.5-0.5-0.5z=0:0.2110.80.60.40.20.50.5-0.5-0.5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，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，這個時候就不能應用書上的有限長直導線公式了，想了半天不知道怎么推導，忽然靈機一動，反

10、正我們用的是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：clearall;clc;%參數(shù)設定r=1;%單位長度11=1;%單位電流u0=1;%畢奧薩法爾公式中需要用到的真空磁導率，由于是畫示意圖，所以取1即可Pl=3.14;%nC0=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);%坐標設定Px=-.5:0.05:.5;Py=-.5:0.05:.

11、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的結構體%求出dlfori=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=zeros(1,l.*l);SumBy=zeros(1,l.*l);SumBz=

12、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fori=1:lforj=1:lfork=1:ma=dl(k).xdl(k).ydl(k).z;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)42);dB=CO.*cross(a,b)/(Rmod.T);SumBx(temp)=SumBx(temp)+dB(1);SumBy(temp)=SumBy(temp)+dB(2);SumBz(temp)=SumBz(temp)+dB(3

13、);endtemp=temp+1;endendSumBz=reshape(SumBz,l,l);0.330.320.310.30.290.280.270.260.250.240.5-0.4-0.4-0.5-0.50.5二二-二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:10.80.60.40.500-0.5-0.50.50.650.60.550.5-0.5-0.50.450.50.420.410.40.390.380.5z=0.4-0.5-0.50.350.30.250.20.5z=0.6-0.5-0.5.1-0.5-0.50.240.220.20.180.160.50.18

14、0.160.140.120.50.5-0.5-0.5mesh(Px,Py,SumBz)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

15、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)你基礎的薄弱，也就一句話“先看看基礎理論再來問吧”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

16、知道是像波導那樣什么的選擇一個面設置為lumpedport？要是選擇面的話應該是選擇哪個面呢？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，然后設置這個矩形平面為lumpedport這樣就ok了。觀察Hz加好激勵就開始仿真，Analyze結束之后就可以看各種參量了。首先，我們先來驗證一下磁感應強度是不是按照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project匸0-D】3ziChrtIiChurl2Tbl4.1-1Diapl-rliyiDlIEv-bI

17、-qOkoiIffwr|uatKiaernipsiwi5ninacwweip、LintrjSplineArtEquationBa-5?dCuire口EecfaingleallipsOCrdeOfieularPoJgonrlEquationBa-sedSurface6Box.0Cylinder-JjlRegularPalyhtdron6ConeOSphe-re回ICWUi尋Helix-Spiral呢flondwire-爭瞪epUserDeliredPrimitive|l7PlaneLineSegment活E罔口1呈J：廣2W錢禺堆i密薄轡爵j7Tld.y:由左Radiati也LjBafRiotM

18、esh.iibModifyPlot&吐可ModifyPlotA-ttributes.0CSheetsLum:白口Lum|S-nf由匕CoordiS-Planes-Lists葉南Animate.EZvSetPictDefaults.葉南臺Qpernm占SaveAs.二CeleNCoOfdleit苧t出來的結果如圖：11屈TMflj1UWBgd1鋭lb*啲：!R.12ZZ-I41H0nLaftrwob.me-iiou$EWlMrfHDE怖畑iy-aiHbkE螢耗Hj-1訃*fVS-s.mm-i4-*-.2LK4K1.9?-hLI1.Efl*WLI113A*flf4WL一1.0-BtWLg,izz茂

19、*QiSt2XfI6日卿4J5.TETLc-HSeDI4CII3s-53?-hMCI2幕皿+I1-3W?-hMCI22&7S-iL5i-?r-WL-1.99R7-S-K-4.2isat-HKe1i.陌7m彌11.5KiMf*5rari?-HSSi&7&H*-rKCi7M-3?*OW1.S4&1C-KB03.:*ra-a&j-a.翻血-Qdi-1弼和-3.JW5*-t.iiSfieOOOH如UExf1.9EG&S吒EdI.2祐丹低d,bi陰訊Ed1.DZ9aia&BiB.DJD5-CE.d甘SEKCi5?即1加9M-.iSEEKC*3.5E3E-c-KG生峻仆彌1.nmEKCi-E.合卻徒-曲二

20、価詢仙906-*叮慈*WE從左到右，從上到下依次是距離矩形線圈平面高度為0,0.2,0.4,0.6,0.8的平面上Hz的大小。可以看出：HFSS進行的建模仿真與Matlab理論分析互相吻合，場強大小都是中間強，四周弱。觀察金屬與鐵氧體對金屬線圈磁場的影響由于實際應用中的線圈經(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在金屬影響下的磁場如下圖：不加金屬在z=0.5位置加金屬片說二二筈工謊驚恚3JR_M53zsbs-rBl-3BJT-fls葉南由上圖可以看出，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

21、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）FieldA_perjm45748-+001S68Be+S002176+001093忙咖L721LS40007000e-f00157078+001E.0817e+flBB3.655|=+0002.HH23ef000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

22、手機和卡放在一起，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，這兩個原因?qū)е峦ㄟ^公交卡線圈天線的磁通量減弱，結果就是刷卡失敗。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：得到不同平面的場強Hz如下：不加鐵氧體緊挨線圈下方加大于線圈大小的鐵氧體0.2i!2:常壽.*!-!i蠱m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

23、看未加鐵氧體時Z=0平面上的H的大小與方向：1.7DZC3e+BBl1.578T6+0011.4576+001ls3361e+E611.2147A+BG1l.ge+rei9.7211e+M0乩50國國0E.3817etBQDu.eeeBc+ffle2.帕北十BBB1.弧盼十BQB1.6B-BQ2葉南可以看到磁力線凌亂不堪。葉南再看看加鐵氧體時Z=0平面上的H的大小與方向:HFiElHIAj眄1.7iM0e+l011.570784-901i.HSTetHBl1.3361e+e0i1.21476+0011.03300019.7Zlle+fi03乩島陽匕用陽7.Z943etBB0E.0B17etBB

24、0乩8創(chuàng)也I3,&55+e+02,MH236+0001.292e+fi03:L鴿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zIIWn-fH0.20.4不加鐵氧體緊挨線圈下方加小于線圈大小的鐵氧體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:7030*4574-e-nB01214-784001QQan-e+aai08176+000睡葩+B日日&556+000幽2沁用盹9,721:16+0008,538矢用盹可以看到有鐵氧體的部分電磁場受到了限制，但由

25、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。這里是緊貼著的兩層,上層的是金屬片下層的是鐵氧體eiMEtgee耐g圈旦合*3Q曲2E世NnHedEKpr15Mle*i30131?le05.jNqJulp_iN晦呂忘M)HQ.：11戟觀卷S贈晁書石怕芯張：0.-tl,b3衛(wèi)臥曲呵VHo士旦盒二愛a!E3壘S-PARAME7ERS-S_Param-SP1Start=lOMHz.

26、Stop=2DMHZStep-125Ml-terrfernilNunnZ50OhmR1R-0.193322OhmI=99.3nHR=DASmithChartMatchlMatchiPOSDASimthChartMatchlFp=13.56MHzSourceiype=Re&istiveSounjeEnaljle=FalseRg=50OhmLg=1nHCg_1p-Zg=5flOhmZl=(0.6+i*30)OhmLoadFlk=hZLoed.HpLcadFileSparmSfl.irLoadinpType=LoadImpedanceZCSOOhm葉南SourceFIIs=*ZSource.srtp

27、-SourcehileSpam=S(l.liySouTelnipType=SourceImpedanceLoad1ypB=SeriesRLLcsdEnmble=Fai&eRL=50OhmLL=1nHCL=1F*MjKIIlf-Hih*Diic,i8S15丨1132.-1.3Q;irATf彳血柴*然后選擇菜單欄DesignGuide中的Filter,選擇Smithchart，得到Smith圓圖的匹配工具。a1111叵A0.aacoo|J丄叮.LGKOUli-NbcLlSfpamaLDA5hlthJChcftiMatchjRiLvca-kSrLnhLLs_Lock.SaurtiInp4drie_|

28、LackLjaJG沁u.MnsSilIiluiLi.i.換中H口2d.恤垃.O.a+jlfl.4L6a.9Z伍古ithChristUtility口回區(qū)rEilsId:tViwGj-rclsfctLjJ與趙田中田&1LFdtt-aFyaqWfti)/ZDfCmrhlLSchH-ikLic0D335GS3回加“|恤Mh呂JTJ5Ifaxiim&HIf-itvirh.1-imLD.i.iLitu.|BiildAESCirml|11Beset1(-5Q41SC|二卽設萱肝之念臣擊1圾用進行自si四配葉南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：葉南卄L1二42.3QnHC2二977.97p方

29、NetvorkSelector:5匚11ckonIccnforDesiredffeiworkCL二110.80pFC2=1.30nFLI=1.24uKC2=1.4BrJCl二3.2&iiFC2=2.43iiF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)絡的要求，由于zl點在1+jx圓外，我們應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：*1-*|-593SL0|匸I回岡CurxuLSEtuvikUcSnacLCMpTiRDLL1A久譏hEhirlJULuldHetflBesjnst乩“（：令LoadOS

30、vur:LaeiLjajSIhptd-uici0.00537|+Jn3.LW|坊*沁D.99DD0Lca.wa點壬U帰應圧嵐逸殖中宣用生曲B2E卓L-iiaAHECirnit5H.ithChaiEtOtililyLock.品Inp41rie7xlcLmuO&昌觀島器1訂Eh.1-.1.T5dFdtUtfrt-iEOfflbins)|0.D3Ti罔NdtbiLitaIkifiliitk*l譽dfkSEIS.Sal-ich.i.-lCwponaaL|卻IIilFuiLLi.2c:Vd.j*:Iks:1EIdm1iB*Et1IB2D|可以看到，zl點已經(jīng)實現(xiàn)了匹配，這個時候點擊BuildADSCir

31、cuit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-PushIntoHierarchy進行查看，就會得到：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圓圖查看結果:kffi國回令口0A-&arirrtq；10OOMHE102QQ&MH計mlfreq=13.75MHz8(1.1)=0481/-95947Impedance=ZO*(0.578-i0.719)0中犠q鳥亂專jnr0-12禽占發(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，沒關系，我們在后續(xù)的調(diào)整中可以補救

32、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，我們需要做的就是將C1與激勵并聯(lián)，然后與C2串聯(lián)接負載就好了。在HFSS中實現(xiàn)的方式就是新建兩個Box,材料為vacuum,分別設置為RLC邊界，電容大小就是C1和C2的大小，然后選擇C1的一個面，設置這個面為激勵Lumpedport，再將C1與C2串接在一起。這樣，就實現(xiàn)了匹配電路的搭建。（在新建C1和C2的時候就

33、緊連著負載,具體說來就是C1的一端接負載，另一端接C2，而C2一端接C1,另一端接負載）如圖所示：新逹一于E0K設置ELC邊界，電容丈小百吃選中匚1的一個面，設置渤勵Lumpedpoirt這是單圈線圈天線的一請遠是單圈線圈天線的另一端設置完成之后，就可以仿真了。S11的結果：-5.00-6.25-7.5010.0012.0014.0016.00FreqMHz18.0020.00葉南可以看到，在13.56MHz處的S11達到了最小值。葉南Ansofell-CFreqAngMagRXml0.013565.58060.46920.9371+1.0267iSmithChart3HFSSDesign,CurveInfoS(1,1)Setup1:Sweep114(1600.20170180.00.00-170-160-1