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基于遺傳算法的高頻標(biāo)簽天線的優(yōu)化設(shè)計

作者: 時間:2014-03-28 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1 引言

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

射頻識別技術(shù)是一種無線的、非接觸方 式的自動識別技術(shù),是近幾年發(fā)展起來的前沿科 技項目。而作為射頻識別系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵部件,它的對于降低本錢, 減小體積起到重要的作用。低頻和頻段的主要形式是線圈。在低頻頻段減小天 線體積的方法主要是在線圈中插進具有高磁導(dǎo)率的鐵氧體材料,這樣就可以進步天線的磁導(dǎo) 率,即可在等效面積變小的情況下得到足夠的開路電壓。頻段主要是采用將天線集成到 芯片上的方法來實現(xiàn)減小體積,降低本錢的目的。集成天線可選的結(jié)構(gòu)有平面螺旋形,柵形 和螺線管形,但是考慮到天線的總等效面積只能選用。

國內(nèi)外對的集成線圈天線所做的研究很多,但是涉及的內(nèi)容主要是針對集 成天線在超下線圈Q 值的進步題目 。在較低頻率的場合,線圈本身的Q值十分小, 對系統(tǒng)的工作性能并不能起到?jīng)Q定性的作用。在這樣的情況下更關(guān)注能量的傳遞能力,所以 我們關(guān)注的不再是電感本身的Q 值,而是整個電路的Q 值,即電路的工作效率。現(xiàn)有的高頻 頻段集成線圈天線的設(shè)計主要是依靠經(jīng)驗選擇參數(shù)進行重復(fù)迭代 ,這樣的方法要求設(shè)計 職員有一定的背景知識,需要依靠經(jīng)驗對參數(shù)進行選擇和調(diào)節(jié),而且工作重復(fù)費時。并且由 于采用簡單的迭代選擇的方法,可改變的參數(shù)有限,所以都是在特定工藝的條件下進行設(shè)計。

本文使用對片上天線的幾何參數(shù)和工藝參數(shù)優(yōu)化??梢愿鶕?jù)實際情況和用戶的要求設(shè)定約束條件,如版圖面積,最小開路電壓,最小輸進功率等。通過設(shè)定約束條件,可 以設(shè)定參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍和天線的性能要求,便可以在更大范圍內(nèi)自主地選擇合適的參數(shù)以提 高能量傳遞效率。

2 運用對集成線圈天線進行

是一種有效的全局搜索方法 ,從產(chǎn)生至今不斷擴展其應(yīng)用領(lǐng)域 ,比如產(chǎn)業(yè)設(shè) 計、制造業(yè)、人工智能等。在本節(jié)中 ,將先容利用遺傳算法應(yīng)用于高頻標(biāo)簽的集成 線圈天線的方法 ,本文利用回路品質(zhì)因數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù) ,求滿足系統(tǒng)要求并且電路效率 最高的線圈幾何參數(shù)。

2.1 染色體設(shè)計和初始化

集成線圈天線的設(shè)計是通過設(shè)計適當(dāng)?shù)膸缀纬叽?,使線圈達(dá)到系統(tǒng)要求的性能。而線圈 需要變化的幾何參數(shù)有外邊長l,線圈匝數(shù)n,線寬w,間距s,金屬厚度t,螺旋結(jié)構(gòu)與襯底間 的氧化層厚度tox,螺旋結(jié)構(gòu)與下層通道之間的氧化層厚度tox/2。在工藝條件可選的情況下, t,tox,tox/2 這三個工藝參數(shù)可以參與優(yōu)化,參與進化的參數(shù)為{l,n,w,s, t,tox,tox/2}。在工藝條件固 定的情況下,t,tox,tox/2 是定值,此時參與進化的參數(shù)為{l,n,w,s }。我們將每個十進制參 數(shù)編碼成一個8 字節(jié)的二進制數(shù),然后將所有參與進化的參數(shù)的二進制數(shù)組合起來形成一個 染色體。

在遺傳算法初期,要天生一個初始種群,這個種群是由M 個染色體構(gòu)成的。其中,對于 群體大小M 的選擇方面,Goldberg 提出了一種根據(jù)染色體長度來計算最佳種群大小的啟發(fā) 式求解方法 ,但是運用這種方法計算的種群大小M 隨染色體的長度程指數(shù)遞增,這樣龐大 的種群數(shù)目對計算效率影響是很大的。在其后,Hesser 等提出公道的種群大小應(yīng)該控制在3到110之間 。

本文將群體大小M 設(shè)定為50. 2.2 個體*價一個染色體的好壞,需要利用適應(yīng)度函數(shù)進行*價,并且設(shè)定一些約束條件對染色體的 進化方向進行進一步的引導(dǎo)。本文對集成線圈天線的設(shè)計主要是通過選擇適當(dāng)?shù)膸缀螀?shù), 使線圈天線能夠滿足芯片的最大版圖要求lmax,最小工作電壓Vr以及最小工作功率Pr的要 求,在此基礎(chǔ)上進行進化,得到最好的回路品質(zhì)因數(shù)Q,以達(dá)到進步電路工作效率的目的。

(1)適應(yīng)度函數(shù)

設(shè)定適應(yīng)度函數(shù):f(n)=Q(n),用回路品質(zhì)因數(shù)的大小來衡量染色體的適應(yīng)性。 如圖一所示為集成線圈天線的等效電路,其中開路電壓V2P-P 是通過與閱讀器天 線的耦合獲得的電壓。根據(jù) Farady 定律和Biot-Savart 定理天線的開路感應(yīng)電壓 V2P-P 為: V2P?P = 2π fBA ,其中f 為天線的工作頻率,B 為磁感應(yīng)強度,A 為線圈的等效總面積其算式為: A= nl2 -2len(n-1)+(2/3)e2n(n-1)(2n-1)

集成線圈的等效物理模型采用Yue 提出的三端等效模型,如圖二所示,其中Rs 為線圈的寄生電阻,表征了由金屬螺旋結(jié)構(gòu)引進的能量損耗;寄生前饋電容Cs 主要是由螺旋結(jié)構(gòu)與下層通道之間的交疊決定的,而由于相鄰金屬線可視為等電位,因此相鄰金屬線之間的電容可以忽略。Ls為線圈的電感,根據(jù)GreenHous提出的Bryan法進行計算。其計算公式如下:

(2)約束條件設(shè)定

為了進步進化效率,盡快的得到所需的進化結(jié)果,我們設(shè)定一些約束條件對進化方向進 行引導(dǎo)限制。這樣的約束條件有些是必須滿足的,在選擇過程中,不滿足這些約束條件的染 色體會被自動剔除掉。根據(jù)集成線圈的一般特點,設(shè)定參數(shù)的取值范圍如下: 0μm

同時,為獲得更大的搜索空間,當(dāng)染色體不滿足有些約束條件時,設(shè)定一定的懲罰措施 來減弱這個染色體的競爭性,但是并不剔除。在集成線圈天線的設(shè)計中,我們要設(shè)計出性能 滿足系統(tǒng)要求的天線,所以設(shè)定約束條件為:VL ≥ Vr, P ≥ Pr ,l ≤ lmax。當(dāng)染色體不滿足這樣的 約束條件的時候,我們設(shè)定一個懲罰函數(shù)來減小這個染色體的競爭能力,此時,這個染色體的適應(yīng)度減弱為: f (n) Q(n) 10-5


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