基于HFSS的NFC天线设计与仿真

章娟 穆元彬 袁炼红 宋卓奇 陈鹏飞

摘  要：近场通信（NFC）技术近年来被广泛用于人体生理信号感知测量系统，但是天线结构的不良设计，将会带来回波损耗偏高、带宽不足等问题，进而影响可穿戴设备的用户体验。针对这一问题，文章采用Ansoft HFSS软件对天线进行建模、仿真、分析，借助Smith V2.0工具，设计天线线圈串联匹配电路，使得天线在13.56 MHz时回波损耗降低到-31.58 dB，-10 dB以下的带宽为0.85 MHz，天线的电压驻波比为1.05，有效降低了天线的回波损耗，增加了有效带宽。

关键词：NFC；HFSS仿真；回波损耗

中图分类号：TN82    文献标识码：A  文章编号：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

健康问题一直以来都是全人类共同关注的话题，人体的主要生理参数如心电、呼吸、体温、脉率、血压和血氧饱和度等，与许多疾病的预防与治疗息息相关。体温、呼吸、脉搏、血压作为临床最常见的四大生命体征，是衡量患者机体是否正常的关键指标。为此，不少学者[1-3]开发了各种可穿戴设备用以监测人体的这些指标，并利用无线的形式传输到终端上，以便实现人体生命健康的日常监控和远程指导。这些监测人体多项生理参数的穿戴式技术虽然可实现对人体无创、非介入式的日常健康管理和监测，然而它们都使用了传统的纽扣电池作为能源来为系统供电，不仅使用寿命短，穿戴也不方便。为此，近年来，有学者开始研究无线无源可穿戴传感器，Chung[4]等人基于近场通信开发了婴幼儿监护系统，实现了穿戴舒适及无源传输。王纪彬[5]等人则基于近场通信开发了用于人体监控的高精度温度测试仪。在这些设备中，天线是关键部分，会对系统整体性能产生影响，它不仅可以发射和接受信息，完成数据双向通信[6-8]，另外，还可进行能量转换，实现无源读取数据。为此，如何设计一款可以跟人体阻抗较好匹配的NFC（Near Field Communication）天线是确保生理参数监测关键。本研究采取一种轻量级、低成本的设计理念，设计了一种用于生理信号感知系统通信的NFC天线。文章首先介绍了天线的工作原理及影响因素，随后提出了一种NFC天线模型，并基于HSFF分析了天线几何参数对等效电感、串联匹配电路、回波损耗等的影响。

1  NFC工作原理

天线产生的电磁场，可划分为三个不同的区域：感应近场、辐射近场和辐射远场。NFC天线工作在近场耦合区，又被称为近场通信，其天线长度也远小于传统天线，通信距离也很短，只有0～20 cm，实际使用时通常在10 cm以内[9，10]。

圖1是NFC天线通信原理图，阅读器端的天线和标签端的天线本质上都是耦合线圈。通过近场耦合的方式完成能量的传递和信息的交互[11]。根据毕奥-萨伐尔定律[12]，不断变换的电流会产生磁场，阅读器端的天线线圈在交流电流的作用下，会产生磁场，当标签端天线进入该磁场，根据法拉第电磁感应定律[13]，会产生感应电动势，此电动势就是标签端的电源，为其正常工作提供能量；同理，标签端天线再将数据信息传递给阅读器端天线中，实现了线圈之间的能量和信息的高效传递[14]。

2  NFC天线设计

2.1  NFC天线的等效电路

NFC天线系统属于电感耦合系统，天线主要是绕线线圈，通过谐振电路，阅读器可以将能量传输至标签系统上。根据经验，并联谐振方式使得电路拥有最大的阻抗，最小的电流，最大的电压，适合应用在功率较高的阅读器天线电路中，而串联谐振方式使得电路拥有最小的阻抗，最大的电流，适合应用在距离较小的读写器当中，综合考虑，本文采用串联谐振电路，等效电路图如图2所示。其中Ra、La和Ca分别为标签天线的等效电阻、等效电感和寄生电容。

由汤姆逊公式可知：

（1）

由式（1）可知，天线的谐振频率与天线的等效电感L以及线圈等效电容C有关。NFC天线的工作频率为13.56 MHz，当线圈的寄生电容和等效电感无法实现13.56 MHz的谐振频率时，需要在天线外部通过串并联电容的方式来设计LC谐振电路，使得谐振频率为13.56 MHz。串并联的电容大小需要在计算出线圈天线的寄生电容后，才能得到具体的数值。

2.2  NFC天线的重要参数

线圈的电感Lant是重要的参数之一，理论的计算公式为[15]：

（2）

式（2）是用来估算线圈天线电感L参数，其单位为nH；l1为一圈天线的长度，其单位为cm；D1为PCB线圈导线的宽度，其单位为cm，N为线圈的匝数。当天线线圈是矩形时，K的取值为1.47；当天线线圈是环形时，K的取值为1.07[16]。

由式（2）可知，電感的值和线圈的长度、线圈的形状、线圈的匝数、线圈之间的距离有关系，线圈天线的尺寸越大，需要强调的是，当其他外在条件相同时，天线的等效电感值随着天线的尺寸增大而增大，会使得天线的有效工作距离变大，但是由式（1）可知，电感的数值太大，势必会导致电容的数值很小，调谐电容的匹配变得很困难。根据实践经验，电感的取值范围在0.5～3 μH[17]之间，电容匹配比较容易实现。

品质因数是线圈天线的关键技术指标，用Q表示。如式（3）所示，表示为在谐振电路下存储的能量与每个周期内消耗的能量之比的2π倍[18]，由此可以看出，品质因数Q值体现天线能量的利用效率。

（3）

（4）

此外，由式（4）可知，Q与带宽成反比，Q值越高，带宽越小。根据天线带宽的经验法则：3 dB的Q值带宽约为10 dB回波损耗带宽的两倍[19]，3 dB功率带宽为：

（5）

因此在串联谐振电路中，品质因数Q等于：

（6）

由式（5）（6）可知，在串联谐振电路中，带宽与串联电路中的等效电阻成正比，品质因数Q值与等效电阻成反比[20]。合适的带宽是线路无失真的传送副载波信号的前提，为了保证通信系统合适的带宽，品质因数Q值不能太大，一般Q的取值范围为10～30，最大不超过60，在13.56 MHz系统中，Q的取值通常设置为6～15[17]，本文在设计匹配电阻时，Q的取值为10。

回波损耗（Return Loss， RL）是天线的重要参数，它指的是射频输入信号反射回来的功率与输入信号功率的比值。如式（7）：

（7）

RL是一个负数，单位为dB，理想情况下，当系统电路的阻抗完全匹配时，此时回波反射功率P-为0，RL为无穷小。实际上，完全的阻抗匹配是无法实现的。P-一定存在的。最恶劣的情况下P-=P+，也就是输入信号全部被反射，此时RL最大，为0。因此可以通过观察RL参数，来检验设计匹配电路是否合适，天线的性能是否优越。

电压驻波比也是天线的重要参数，用驻波波腹电压与波节电压幅度之比来表征，用VSWR表示。当VSWR=1时，线路阻抗匹配成功，高频能量全部被转换成电磁波发射出去，没有反射损耗；当VSWR=1无穷大时，线路阻抗匹失败，能量完全没有辐射出去，全被反射损耗掉。在设计匹配电路时，可以通过观察VSWR参数，来检验设计的匹配电路是否合适，天线的性能是否优越。

因此设计天线时，要综合考虑电感、电阻、电容的值。才能保证天线在工作时，工作距离、带宽、品质因数、回波损耗、电压驻波比等参数合适。

3  NFC天线的仿真

3.1  NFC天线的模型

NFC线圈天线基本形状为矩形和圆形，由于边长为圆形直径的矩形线圈天线的面积比圆形线圈面积大27.3%[14]，具有相同面积的矩形线圈比圆形天线的等效电感、品质因数和通信距离都大，而且商用天线多采用矩形线圈结构，故标签天线最终采用的矩形线圈。

考虑NFC实际应用中的小型化、大电感、低损耗、合适的品质因数和工作带宽等设计目标需求，同时为了充分利用空间，本文设计矩形标签天线采用双层镜像设计，实现结构上的创新，也留下足够的空间给其他元器件布局使用。利用Ansoft公司开发的全波三维电磁仿真软件（High Frequency Structure Simulator， HFSS）进行建模仿真以验证方法的可行性。

线圈天线的参数主要包括线圈的长度Lx，线圈的宽度Ly，线圈宽度W及线圈间距S等。NFC天线可等效为：线圈长边Lx、宽边Ly，以W为线径，以S为间距绕制而成，Input和Gnd作为馈电点，集总端口以及匹配电路设计在Input和Gnd之间。优化后的NFC标签天线长边和宽边都为30 mm，正、反面线圈匝数都为3匝，线宽为0.5 mm，线间距为1 mm，介质基板厚度为1 mm，实现微型化设计需求。天线线圈模型示意图如图3所示。

在HFSS软件中建立线圈天线的模型，中心频率设置为13.56 MHz，扫描频率范围先后设为0～80 MHz，5～20 MHz，利用HFSS自带的仿真软件，得到天线的阻抗值和等效电感值，分别如图4、图5所示。

由图4、图5可知，在频率为13.56 MHz时，电感值约为1.830 7 μH，电感值的大小在1～3 μH之间[14]，符合要求，电阻值为0.198 4 Ω，天线本身的谐振频率为50.68 MHz，自谐振阻抗值为29.81 kΩ。

3.2  串联匹配电路设计

在天线能量传递过程中，理想的状况是天线的能量全部转化为电磁波的能量，此时，天线是纯电阻状态，在3.1小节里，我们发现在13.56 MHz时，阻抗值虚部明显不为零，因此要设计匹配电路，实现在13.56 MHz时电路共轭匹配。

在设计匹配电路时，我们需要知道天线本身的等效参数，串联电阻、串联电容、并联电容值。借助HFSS软件获得线圈天线的等效电感La、寄生电容Ca、等效电阻Ra。由式（6）可知，电阻值影响线圈天线的带宽和品质因素。因此可以通过设置串联电阻Rs的阻值，使得系统的带宽值和品质因数值都合适。根据系统需要的品质因数Q值，来确立Rs的数值。电路中总电阻值Rs-tol为：

（8）

需要串联的电阻Rs的数值为：

（9）

利用SmithV 2.0工具，获得串联匹配电路中串联电容Cs和并联电容Cp值，最终确定线圈串联匹配电路的参数为：串联电阻Rs=15.3 Ω，并联电容Cp=42.7 pF，串联电容Cs=33 pF，匹配后的电路如图6所示。

经过修正优化后，将串联电阻Rs，串联电容Cs和并联电容Cp以集总参数的形式加入模型中，仿真的史密斯圆图如图7所示。13.56 MHz的频点几乎落在纯电阻线上。

3.3  回波损耗参数仿真

在HFSS軟件中，回波损耗RL参数仿真结果如图8所示，可知，在频率为13.56 MHz时，回波损耗数值为-31.58 dB，-10 dB以下的有效带宽为0.85 MHz。电压驻波比参数的仿真结果如图9所示，可得在13.56 MHz时电压驻波比为1.054 1，以上性能数据表明，NFC线圈天线阻抗匹配良好，在13.56 MHz的频率点上，参数值可以满足近场通信中对天线性能的要求的。

4  结  论

本文对NFC天线进行了结构的优化，使用双层镜像线圈的设计思路，减小了天线的尺寸，更容易集成在可穿戴设备上，设计了系统的串联匹配电路，最终获得电感值在1～

2 μH之间，有效带宽为0.85 MHz，在13.56 MHz处的回波损耗为-31.58 dB、电压驻波比为1.054 1，逼近于1，参数值是可以满足近场通常对天线的要求的。本文的设计方法对其他频段的天线或者其他应用场景下的NFC天线设计具有一定的参考价值。

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作者简介：章娟（1990—），女，汉族，江苏宿迁人，助教，硕士研究生，研究方向：无线传感网络、人工智能与机器学习、嵌入式系统；穆元彬（1986—），男，汉族，山东泰安人，讲师，硕士研究生，研究方向：无线传感网络、智能微系统和MEMS传感器、柔性电子器件制作；袁炼红（1965—），男，汉族，浙江杭州人，讲师，硕士研究生，研究方向：传感器技术、应用电子技术。

收稿日期：2023-01-16

基金项目：杭州科技职业技术学院一般课题（HKYZXYB-2022-2）；杭州科技职业技术学院重点课题（HKYZXZD-2022-1）；浙江省大学生新苗计划（2022R457A002）