基于遺傳算法的高頻標(biāo)簽天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 引言

射頻識(shí)別技術(shù)是一種無(wú)線的、非接觸方 式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，是近幾年發(fā)展起來(lái)的前沿科 技項(xiàng)目。而標(biāo)簽天線作為射頻識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部件，它的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于降低本錢， 減小體積起到重要的作用。低頻和高頻頻段標(biāo)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(jìn)具有高磁導(dǎo)率的鐵氧體材料，這樣就可以進(jìn)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(kāi)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(lái)實(shí)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平面螺旋結(jié)構(gòu)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)平面螺旋結(jié)構(gòu)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(duì)集 成天線在超高頻下線圈Q 值的進(jìn)步題目 。在較低頻率的場(chǎng)合，線圈本身的Q值十分小， 對(duì)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(gè)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(shè)計(jì)主要是依靠經(jīng)驗(yàn)選擇參數(shù)進(jìn)行重復(fù)迭代 ，這樣的方法要求設(shè)計(jì) 職員有一定的背景知識(shí)，需要依靠經(jīng)驗(yàn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行選擇和調(diào)節(jié)，而且工作重復(fù)費(fèi)時(shí)。并且由 于采用簡(jiǎn)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(jìn)行設(shè)計(jì)。

本文使用遺傳算法對(duì)片上天線的幾何參數(shù)和工藝參數(shù)優(yōu)化?？梢愿鶕?jù)實(shí)際情況和用戶的要求設(shè)定約束條件，如版圖面積，最小開(kāi)路電壓，最小輸進(jìn)功率等。通過(guò)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(yùn)用遺傳算法對(duì)集成線圈天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域 ,比如產(chǎn)業(yè)設(shè) 計(jì)、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(shè)計(jì)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(jì)和初始化

集成線圈天線的設(shè)計(jì)是通過(guò)設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(gè)工藝參數(shù)可以參與優(yōu)化，參與進(jìn)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(shí)參與進(jìn)化的參數(shù)為{l,n,w,s }。我們將每個(gè)十進(jìn)制參 數(shù)編碼成一個(gè)8 字節(jié)的二進(jìn)制數(shù)，然后將所有參與進(jìn)化的參數(shù)的二進(jìn)制數(shù)組合起來(lái)形成一個(gè) 染色體。

在遺傳算法初期，要天生一個(gè)初始種群，這個(gè)種群是由M 個(gè)染色體構(gòu)成的。其中，對(duì)于 群體大小M 的選擇方面，Goldberg 提出了一種根據(jù)染色體長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算最佳種群大小的啟發(fā) 式求解方法 ，但是運(yùn)用這種方法計(jì)算的種群大小M 隨染色體的長(zhǎng)度程指數(shù)遞增，這樣龐大 的種群數(shù)目對(duì)計(jì)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(gè)體*價(jià)一個(gè)染色體的好壞，需要利用適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行*價(jià)，并且設(shè)定一些約束條件對(duì)染色體的 進(jìn)化方向進(jìn)行進(jìn)一步的引導(dǎo)。本文對(duì)集成線圈天線的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)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(jìn)行進(jìn)化，得到最好的回路品質(zhì)因數(shù)Q，以達(dá)到進(jìn)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(lái)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(kāi)路電壓V2P-P 是標(biāo)簽天線通過(guò)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(kāi)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)行計(jì)算。其計(jì)算公式如下：

（2）約束條件設(shè)定

為了進(jìn)步進(jìn)化效率，盡快的得到所需的進(jìn)化結(jié)果，我們?cè)O(shè)定一些約束條件對(duì)進(jìn)化方向進(jìn) 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(guò)程中，不滿足這些約束條件的染 色體會(huì)被自動(dòng)剔除掉。根據(jù)集成線圈的一般特點(diǎn)，設(shè)定參數(shù)的取值范圍如下： 0μm

同時(shí)，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(shí)，設(shè)定一定的懲罰措施 來(lái)減弱這個(gè)染色體的競(jìng)爭(zhēng)性，但是并不剔除。在集成線圈天線的設(shè)計(jì)中，我們要設(shè)計(jì)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(shí)候，我們?cè)O(shè)定一個(gè)懲罰函數(shù)來(lái)減小這個(gè)染色體的競(jìng)爭(zhēng)能力，此時(shí)，這個(gè)染色體的適應(yīng)度減弱為： f (n) Q(n) 10-5