基于遺傳算法的高頻標簽天線的優(yōu)化設計

1 引言

射頻識別技術是一種無線的、非接觸方 式的自動識別技術，是近幾年發(fā)展起來的前沿科 技項目。而標簽天線作為射頻識別系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵部件，它的優(yōu)化設計對于降低本錢， 減小體積起到重要的作用。低頻和高頻頻段標簽天線的主要形式是線圈。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率的鐵氧體材料，這樣就可以進步天線的磁導 率，即可在等效面積變小的情況下得到足夠的開路電壓。高頻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。集成天線可選的結構有平面螺旋形，柵形 和螺線管形，但是考慮到天線的總等效面積只能選用平面螺旋結構。

國內(nèi)外對平面螺旋結構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 成天線在超高頻下線圈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注能量的傳遞能力，所以 我們關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?，F(xiàn)有的高頻 頻段集成線圈天線的設計主要是依靠經(jīng)驗選擇參數(shù)進行重復迭代 ，這樣的方法要求設計 職員有一定的背景知識，需要依靠經(jīng)驗對參數(shù)進行選擇和調節(jié)，而且工作重復費時。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計。

本文使用遺傳算法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。通過設定約束條件，可 以設定參數(shù)的調節(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 運用遺傳算法對集成線圈天線進行優(yōu)化設計

遺傳算法是一種有效的全局搜索方法 ,從產(chǎn)生至今不斷擴展其應用領域 ,比如產(chǎn)業(yè)設 計、制造業(yè)、人工智能等。在本節(jié)中 ,將先容利用遺傳算法優(yōu)化設計應用于高頻標簽的集成 線圈天線的方法 ,本文利用回路品質因數(shù)作為適應度函數(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 染色體設計和初始化

集成線圈天線的設計是通過設計適當?shù)膸缀纬叽?，使線圈達到系統(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,螺旋結構與襯底間 的氧化層厚度tox,螺旋結構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該控制在3到110之間 。

本文將群體大小M 設定為50. 2.2 個體*價一個染色體的好壞，需要利用適應度函數(shù)進行*價，并且設定一些約束條件對染色體的 進化方向進行進一步的引導。本文對集成線圈天線的設計主要是通過選擇適當?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，在此基礎上進行進化，得到最好的回路品質因數(shù)Q，以達到進步電路工作效率的目的。

（1）適應度函數(shù)

設定適應度函數(shù)：f(n)=Q(n)，用回路品質因數(shù)的大小來衡量染色體的適應性。 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 是標簽天線通過與閱讀器天 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構引進的能量損耗；寄生前饋電容Cs 主要是由螺旋結構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）約束條件設定

為了進步進化效率，盡快的得到所需的進化結果，我們設定一些約束條件對進化方向進 行引導限制。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，當染色體不滿足有些約束條件時，設定一定的懲罰措施 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計中，我們要設計出性能 滿足系統(tǒng)要求的天線，所以設定約束條件為：VL ≥ Vr, P ≥ Pr ,l ≤ lmax。當染色體不滿足這樣的 約束條件的時候，我們設定一個懲罰函數(shù)來減小這個染色體的競爭能力，此時，這個染色體的適應度減弱為： f (n) Q(n) 10-5