线圈天线设计经验总结

1、线圈天线设计经验总结做了三四个月的线圈天线了，从刚开始的什么都不懂，到现在的知道自己什么不懂，也算是 一个成长的过程，做了这么久，有点经验，写在这里与大家分享一下。需求是13.56MHz的天线，就像刷公交卡的那种天线一样，但不知道用什么形式的天线做, 看了一两个礼拜的微带天线，参考教程在HFSS中做出了第一个微带天线的仿真，正觉得有 点进展的时候，老师一句话，用线圈天线做，我不得不改做线圈天线。然后就是各种资料的 搜索与学习。线圈天线是一种很简单的天线，复杂点说的话，就是用铜线（肖然町以是英他材料）按照一 定的形状绕几圈，ok,这就是线圈天线了，铜线的两头加上激励源就町以发射了。（有兴趣 的同

2、学町以把你手中的公交卡打开，会发现它就是用的线圈天线，网上有这种教程，町以让 你把公交卡拆开，然后把完成公交R功能的天线和芯片拿出來贴在手机后盖和电池之间，这 样就可以很潇洒的实现于机刷卡了，哈哈，不过要怎么充值就要自己想办法了）当然，这个 时候的线圈夭线是不好用的，因为你对它的特性什么的都不了解。所以，打算先进行理论方 面的研究。理论分析与Matlab仿真因为做的是类似于RFID的NFC的13.56MHz的线圈天线，天线在这个频率一般都是使用磁 场瞿合来实现能量的传递，那么我们就对在这个时候线圈的磁场进行分析。网上关于矩形线圈的磁场分析有很多论文了，但我们还是自己做一下会理解的比较深刻，先

3、复习一下电磁场的知识，正好书上有一道例题讲的就是长度为I的导线在周闱空间任意点产 生的磁场公式，这里引入了矢量磁位A,因为矢量磁位A的方向与电流I的方向是相同的, 而II对欠量磁位求旋度就是磁感应强度B.这种性质对线天线來讲是很彳j用的。矩形线叶南叶南我们先來研究单圈的矩形线圈天线。叶南根据有限长导线周闱磁感应强度的公式，算出四条边在空间某一点的矢屋磁位A,由于两两 方向相同，叠加Z后就剩卜了两个方向的向屋相加，这样利于后面求旋度的处理：对空间某 一点总欠量磁位A求旋度就得到了磁感应强度B,只取B的Z方向人小Bz就得到了我们所 关心的垂直方向磁感应强度(因为刷卡的时候算磁通最只有垂直方向的是有

4、效的)。这样得 到的是一个巨复朵的公式，用人的肉眼直接观察看不出来任何规律，于是借助Matlab的画 图功能得到直观的感受。Matlab的m文件内容与图片如下：clear all;clc;%参数设定IT；%矩形线圈的边长设为单位长度1IT,%电流也是单位20=156毕奥萨法尔公式中需要用到的真空磁导率，由于是画示意图，所以取1即可PI=3.14,-%hz=0.2;%这里设豐距离矩形线圏的平面的高度x=-.5:0.05:.5;y=-. 5:0.05:. 5;X,Y=meshgrid(x/y)6(V. xy平面匕得到需要作图的区域点%以下是已经推导出來的公式的输入C0=u0*l/(4*PI);a=

5、l/2+X;b=l/2-X;c=l/2+Y;d=l/2-Y;-.5:0.1:.5X2=sqrt(b.A2+z.A2+d.A2);Xl=sqrt(a.A2+z.A2+d.A2);A3z=C0z./(X2+b)./(Xl-a).*( (Xl-a)./X2-(X2+b)./Xl);A3y=C0*(-d)./(X2+b)./(Xl-a)?(Xl-a)./X2-(X2+b)./Xl);X2=sqrt(b.A2+z.A2+c.A2);Xl=sqrt(a.A2+z.A2+c.A2);A4z=C0*z./(X2+b)./(Xl-a)/( (Xl-a)./X2-(X2+b)./Xl);A4y=C0*c./(X2

6、+b)./(Xl-a).*( (Xl-a)./X2-(X2+b)./Xl);C0=u0*l/(4*PI);a=l/2+Y;b=l/2-Y;c=l/2+X;d=l/2-X;X2=sqrt(b.A2+z.A2+d.A2);Xl=sqrt(a.A2+z.A2+d.A2);A2z=C0*z./(X2+b)./(Xl-a).*( (Xl-a)./X2-(X2+b)./Xl);A2x=C0*(-d)./(X2+b)./(Xl-a).*(Xl-a)./X2-(X2+b)./Xl);X2=sqrt(b.A2+z.A2+c.A2);Xl=sqrt(a.A2+乙八2+: 八 2);Alz=C0*z./(X2+b)

7、./(Xl-a)/( (Xl-a)./X2-(X2+b)./Xl);Alx=C0*c./(X2+b)./(Xl-a).*(Xl-a)./X2-(X2+b)./Xl);Z=-(Alx-A2x-A3y+A4y);%作图mesh(XXZ);叶南叶南这是距离矩形线圈平面0.2高度（线圈边长为1）的Bz大小分布，可以看出场强大小是中间 强，四周弱。将这个m文件做成一个函数，变量为距离线圈的平面高度，并在另一个文件中调用这个函 数.生成不同高度时Bz大小的不同分布。得到下图：x-oX-02asYQ303 50o9 -OS005erioois5 G、Line、 SplineArcf Fqution Bare

8、d CurveD Becrangled gRp”O 0心o Regular Polygotiwnnow p.2 :台 Q 上 r? 0 2 S d R O ： 353 ? 小 | n.t.tt Ckar t 3 仝 m-i Okjl triorsa0 Bex8 finderL Regular PolyhedronO Sphere Ior:二决弘j Spiralt Sv410v*lay彳Plot FieldsPlot Mesh.言 O Sheets S O Lunr 白 LurrH I 匕 Coordi + Planes LetslernesEdit Sources.SAR Setting.tg

9、 Modify Plots.71 Modify Plot Attributes. A Animate.主 Set niot Defaults. 占 Qpen.占 Save As.* Rcloto Plot.Jt Cakulctor. Fields CalculatorNamed EpcGScions1.选中 ector_HNameComplexMag_J:u(f 丿V“_E/Mac(J$u(fxj3uiPhaoe(SmootFVQor.H.Fta$e(SrnoorVo3ta_JvolAtPhwe(SmootF4 L川一卜Add.DeleteScl: ScalarZ(Veclo(_H)Save

10、To.|Ccpy to stackLibrary Load From. |4.点击Add为公式起名后点击OK3.在Scalar卜拉菜 单中选择ScalarZPuchRIDnExchUndoUenoPop I RUp叶南（3）需要观察的平面和需要观察的对象都设冒好Z后，只要添加就好了gSm i th Char t 2ffl-GU Da.ta Table 1宙 E3 Port field. DisplayF x eld Overlay由丈 RidiAtioiiJ Defini tionzmeUxutEvZ1in.GL_Editpoint0mmOmi10mriiOfMModify Plots.Mod

11、ify Plot Attributes.Animate.Plot FieldsPlot Mesh.Edit Sources.SAR Setting.主 Set Plot Defaults. 自 Open.自 Save As.K. Delete Plot.J Calculator.!E O Recta ngIe2国 么 Coordinate System B 倉 Planes EHJOtherkRadiati on Field.Named Expression.E Lists 1nrJ 卜先选中需要观察的平面后,选择Field Overlays的Plot Fields中的Named Expres

12、sion找到自 己定义的变量就OK 了Z=0的时候选择GlobakXY叶南出来的结果如图:叶南叶南观察金属与铁氧体对金属线圈磁场的影响由于实际应用中的线圈经常会受到外界的影响，这里我们就仿真卜在金属与铁氧体（经常 用做吸波材料）影响下的磁场。金属影响下的磁场在金属影响卜的磁场如卞图:不加金属在z=03位置加金属片2 O三XWEM戈卷囂玄笃二叶南不加金属在z=0.5位置加金属片4 O叶南H FipldLA.ppr.m由上图可以看出.加在0.3位置的金属片对其附近的02处的磁场产生了极人的影响.使0.2 处的磁场强度骤降。相同的爭情也在z=0.4处发生了。我们分析一下原因。先画出Z=02未在03位

13、盘加金屈的时候，H的人小打方向。（注意，这里不是Hz 了）L./UdUeuiL.S78便丄L.4574e tOOlL.33BlcI.由图町知，在紧挨线圈卜方加人于线圈人小的铁氧体使得线圈在其上空产生的磁场强度受到 极大的増强，我们來分析一下原因。我们先看看未加铁氧体时Z=o平面上的H的人小与方向：Fie1dA_per.M1 79a3e-CCl1 5787e-CCl1 M57fiCl1 S38仏任I1 21*7e*l1 093*ffil9 7211wMC6 5D还曲076 0dl7e*MI. B69Gee3.她t 2292e 砂1 60ize-ez叶南叶南可以看到磁力线凌乱不堪。叶南再看看加铁氧

14、体映。平面上曲大小与方向:1畑 I1 7fi7e*Mi11. 2VIV081Mi9. 7Ziie*0ee SDOBe 她7. 29H9eB0 t 0917edM M6v02eU32 M*23e*eee1 2292efidQi eoi：ode - HFSimulation|Setup1 j | LaslAdaptr叶南叶南Design Variabon |$C2478pF $C2=213nFProfile Convtrgenet Eigenmode Data Mesh StatisticsEigenmodeFrequency IG Hz)QMode 1Cgl45393 知 O.OOqi实51.6

15、461Solved ModesExport还有一种看谐振频率的方式就是冑接在Driven Modal中看S11是否在13.56MHz的时候达到 蚁小，我的理解是这样的，在Sillii小的时候说明匹配故好，虚部肯定为零，而谐振频率的 时候虚部就是为零的，所以两个频率就应该相等。虽然不严谨，但也差不多了。我一般就用 这种方式，因为本征模求解有点耗时）为了调谐，我加各种电容各种电感，跑了好藝天，加的方式跟激励差不多，也是画一个矩形 片,但是不设置为lumped port,而是Lumped RLG加的位置也在端口处,如下图:这个面加集总元件但怎么加都不会调谐，也就是说谐振频率怎样都达不到13.56Mh

16、z在经过一阵时间胡乱尝试Z后，我终丁决定静卜心來看理论，同时也在论坛上问，加QQ群, 问群里的人，总算有个热心的人牛提示我用Smith圆图來做匹配，于是我又恶补了一下Smith 圆图的知识，然后参考别人用Smith圆图做匹配的论文，终于摸索出了一套匹配的路线，用 的是集总元器件的L网络匹配，为了方便计算，还用到了安捷伦的ADS2009,不用这个软件 也可以，但是就是要自己算，会增加一些工作量。废话不说，我现在就介绍一下这种匹配方 式。在匹配之前,我们必須先对Smith圆图的所了解,它是电压反射系数的极坐标图，我们就是 利用画在图中的阻抗（或导纳）圆进行匹配。先得到线圈的阻抗，进行归一化，找到归

17、一化 阻抗在圆图中的位置，然后将其按照一定规律移动到圆图中心的匹配点（0,0）就好了。我 们在线圈端门处加电容或电感，是并联着加，还是串联着加都会按照一定规律对该点在图中 的位置产生影响。具体如何移动请参考微波工程这本书，或者其他Smith圆图的教材。这里 只讲一下操作步骤。（1）首先，我们要得到线圈的输入阻抗ZLc在线圈两端只加一个激励源lumped port就可以了，运行出结果，在Results中新建一个Data Table.如下图所示:ResultXYSfhlRadi atsi叭Port F广 SweplOp time tri csp5wo9615385 05727.309002578!

18、610.7692310.0615&5-27S.421446I11 nS77 0G5708-24S 2904011CtrlfV0.069775 - 22.9016131Rectangular PlotCreateSolutionReport.Create Fields ReportCreate Emissi on. Test ReportRectangular Stacked PlotPolar PlotDelete All ReportsReport TemplatesOutput VriaLle s.Update All ReportsOpen All Rp or t sData Table

19、Smith Ch&rt3D Rectangular Plot3D Folr TlotRectangular Contour PlotSmith CcritoTir PlotCreate Quick Report.尅 Solution D4t4.Tune Reports .Browse Solutions.UponsImport Solutions.Apply Slvd Vai action然后选择Z11点击New Report.就能生成一个输入阻抗值的表，每个频率点有一个对应的值，我们找到 13.56MHz时候的那个值。尸 5财到Setupi: Sweep 1110 0000000.16163

20、3* 6 226541i210 7142860.168391 714 2857140.19841 * 8 8540994815.0000000.205746 * 9.2914271915 7142860.211543*9 72861911016 4285710.2172Mt-10.16568311117.1428570 222842 + 1060264211217.8571430.228356*11.03949011318 5714290 233787 *11.476231419 2857140.259140 *11.9128811520 0000000 244419 + 123494721这

21、样，我们就得到了线圈天线的输入阻抗ZL.卞而要进行的就是阻抗匹配的工作，这里就 用到了 ADS2009.(2) 在ADS2009中进行阻抗匹配打开已经安装好的ADS2009,新建一个工程，在打开的原理图画出用集总尤件表示的线圈天 线输入阻抗值ZL,比如上图的例子是0.193822+8.4166261,那么就加入一个电阻，阻值为 0.193822Q ,再加入一个电感,电感值为 L=8.416626/2n *13.56*10e6=98.8nH 为了仿真.我们还要加入Simulation-S_Param中的端11 Term与仿真控制器SP以及Smith Chart Matching 中的Smith圆

22、图，加上接地，并把元器件连接起來就得到了仿真电路。然后选择菜单栏DesignGuide中的Filter选择Smithchart,得到Smith圆图的匹配工具按照图中的步骤做完Z后点击自动匹配会出现如卜图提示:叶南同 Hetvork Selector二5叶南这四种方式都町以实现兀配使ZL在Smith圆图上的点移动到I兀配点.但根据LPI；配网络 的要求，由于zl点在1+jx圆外，我们应该选择左上角或者左卜角这两种匹配方式，这里， 我们选择左下角的匹配方式，直接点击就可选择，得到下图：HS“h Chxrt UtilityF1 El CirelM lUlp今虑昌冷霧4孕戏岁x电SjJrr-uTTiI

23、T3CQ0PU-tt Frei （伽）10 COiwsJ0 SomlixtCui j r tCgRCWfiA|o 01WIfO（IklAJW” J; 5vilvlACM Soncdsd Mwtycrk hwAMMH匚 L&cX Iquvcq Ipidtftce_ Lock Ld IldtfC60.0051T I j0.2O5 |Stvrl Frz 0:WetRrk BeTpwiseTrdcelyp.；|WQM Hvsna；39d ooo0.10220js. qAT-Eit Walh|TI.SLoxxValueD1U sactd QCloM以看到，zl点已经实现了匹配.这个时候点击Build A

24、DS Circuit就能直接在原理图中生成 电路。这个时候的Smithchart元件就代表着匹配电路,可以选中此元件并ViewPush Into Hierarchy 进行查看，就会得到：叶南叶南c C2 C=2 429256 nF- Port P1 .Num=1 Port P2 Num=2C=3 25-705 nF叶南叶南这就是匹配电路了。回到原理图，点击Simulate按钮进行仿真使用矩形图和Smith圆图杳看结果:_KSlit IImf 二空鱼2 2 EU人v 才/丁S1画0尚15mlfreq=13.75MHzS(1.1)=0.481 / -95.947 impedance 二 ZO (0

25、.578 j0.719发现匹配还不错.但并不完美，这个是rh于在输入zl时候软件的门动修改引起的，没关系， 我们在后续的调整中可以补救过来，用ADS2009也只是得到一个大概的值。(3) 在HFSS中实现集总匹配电路接下来就是将此匹配电路在HFSS中实现的问题了。这一步卡了我很久，在几天的各种尝试之后，终于在一次偶然的修改中实现了阻抗的匹配。 由于接地足相对的，我们只要把所有接地的端II连在一起就好了，观奈这个匹配电路，我们 需要做的就是将C1与激励并联，然后与C2串联接负我就好了。在HFSS中实现的方式就是新建两个Box,材料为vacuum,分别设置为RLC边界，电容人小 就是C2和C2的大

26、小，然后选择C2的一个面，设豐这个面为激励Lumped port,再将Cl与 C2串接在一起。这样，就实现了匹配电路的搭建。（在新建C1和C2的时候就紧连着负载, 貝体说来就是C1的一端接负载，另一端接C2,而C2端接C1,另一端接负载） 如图所示：这是单圈线圈天钱的一端叶南叶南设冒完成之后，就可以仿真了。S11的结果：Allot UCXYPIOt 1HFSS Dei 1511心5a0pC4TMI MOFreiU3moo20bo叶南叶南可以看到，在13.56MHz处的Sil达到了最小值。叶南Smith圆图的结果（看Smith圆图的时候要选择S因为Smith圆图是反射系数的极坐标 图）：Mn*Het5RXnd0013565 8806a20SJ7f 1D3671Smith Chart 3no19