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基于遗传算法的高频标签天线的优化设计

作者:时间:2014-03-28来源:网络收藏

1 引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/259516.htm

射频识别技术是一种无线的、非接触方 式的自动识别技术,是近几年发展起来的前沿科 技项目。而作为射频识别系统实现的关键部件,它的对于降低本钱, 减小体积起到重要的作用。低频和频段的主要形式是线圈。在低频频段减小天 线体积的方法主要是在线圈中插进具有高磁导率的铁氧体材料,这样就可以进步天线的磁导 率,即可在等效面积变小的情况下得到足够的开路电压。频段主要是采用将天线集成到 芯片上的方法来实现减小体积,降低本钱的目的。集成天线可选的结构有平面螺旋形,栅形 和螺线管形,但是考虑到天线的总等效面积只能选用

国内外对的集成线圈天线所做的研究很多,但是涉及的内容主要是针对集 成天线在超下线圈Q 值的进步题目 。在较低频率的场合,线圈本身的Q值十分小, 对系统的工作性能并不能起到决定性的作用。在这样的情况下更关注能量的传递能力,所以 我们关注的不再是电感本身的Q 值,而是整个电路的Q 值,即电路的工作效率。现有的高频 频段集成线圈天线的设计主要是依靠经验选择参数进行重复迭代 ,这样的方法要求设计 职员有一定的背景知识,需要依靠经验对参数进行选择和调节,而且工作重复费时。并且由 于采用简单的迭代选择的方法,可改变的参数有限,所以都是在特定工艺的条件下进行设计。

本文使用对片上天线的几何参数和工艺参数优化。可以根据实际情况和用户的要求设定约束条件,如版图面积,最小开路电压,最小输进功率等。通过设定约束条件,可 以设定参数的调节范围和天线的性能要求,便可以在更大范围内自主地选择合适的参数以提 高能量传递效率。

2 运用对集成线圈天线进行

是一种有效的全局搜索方法 ,从产生至今不断扩展其应用领域 ,比如产业设 计、制造业、人工智能等。在本节中 ,将先容利用遗传算法应用于高频标签的集成 线圈天线的方法 ,本文利用回路品质因数作为适应度函数 ,求满足系统要求并且电路效率 最高的线圈几何参数。

2.1 染色体设计和初始化

集成线圈天线的设计是通过设计适当的几何尺寸,使线圈达到系统要求的性能。而线圈 需要变化的几何参数有外边长l,线圈匝数n,线宽w,间距s,金属厚度t,螺旋结构与衬底间 的氧化层厚度tox,螺旋结构与下层通道之间的氧化层厚度tox/2。在工艺条件可选的情况下, t,tox,tox/2 这三个工艺参数可以参与优化,参与进化的参数为{l,n,w,s, t,tox,tox/2}。在工艺条件固 定的情况下,t,tox,tox/2 是定值,此时参与进化的参数为{l,n,w,s }。我们将每个十进制参 数编码成一个8 字节的二进制数,然后将所有参与进化的参数的二进制数组合起来形成一个 染色体。

在遗传算法初期,要天生一个初始种群,这个种群是由M 个染色体构成的。其中,对于 群体大小M 的选择方面,Goldberg 提出了一种根据染色体长度来计算最佳种群大小的启发 式求解方法 ,但是运用这种方法计算的种群大小M 随染色体的长度程指数递增,这样庞大 的种群数目对计算效率影响是很大的。在其后,Hesser 等提出公道的种群大小应该控制在3到110之间 。

本文将群体大小M 设定为50. 2.2 个体*价一个染色体的好坏,需要利用适应度函数进行*价,并且设定一些约束条件对染色体的 进化方向进行进一步的引导。本文对集成线圈天线的设计主要是通过选择适当的几何参数, 使线圈天线能够满足芯片的最大版图要求lmax,最小工作电压Vr以及最小工作功率Pr的要 求,在此基础上进行进化,得到最好的回路品质因数Q,以达到进步电路工作效率的目的。

(1)适应度函数

设定适应度函数:f(n)=Q(n),用回路品质因数的大小来衡量染色体的适应性。 如图一所示为集成线圈天线的等效电路,其中开路电压V2P-P 是通过与阅读器天 线的耦合获得的电压。根据 Farady 定律和Biot-Savart 定理天线的开路感应电压 V2P-P 为: V2P?P = 2π fBA ,其中f 为天线的工作频率,B 为磁感应强度,A 为线圈的等效总面积其算式为: A= nl2 -2len(n-1)+(2/3)e2n(n-1)(2n-1)

集成线圈的等效物理模型采用Yue 提出的三端等效模型,如图二所示,其中Rs 为线圈的寄生电阻,表征了由金属螺旋结构引进的能量损耗;寄生前馈电容Cs 主要是由螺旋结构与下层通道之间的交叠决定的,而由于相邻金属线可视为等电位,因此相邻金属线之间的电容可以忽略。Ls为线圈的电感,根据GreenHous提出的Bryan法进行计算。其计算公式如下:

(2)约束条件设定

为了进步进化效率,尽快的得到所需的进化结果,我们设定一些约束条件对进化方向进 行引导限制。这样的约束条件有些是必须满足的,在选择过程中,不满足这些约束条件的染 色体会被自动剔除掉。根据集成线圈的一般特点,设定参数的取值范围如下: 0μm

同时,为获得更大的搜索空间,当染色体不满足有些约束条件时,设定一定的惩罚措施 来减弱这个染色体的竞争性,但是并不剔除。在集成线圈天线的设计中,我们要设计出性能 满足系统要求的天线,所以设定约束条件为:VL ≥ Vr, P ≥ Pr ,l ≤ lmax。当染色体不满足这样的 约束条件的时候,我们设定一个惩罚函数来减小这个染色体的竞争能力,此时,这个染色体的适应度减弱为: f (n) Q(n) 10-5


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