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)于降低成本，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入具有高磁導(dǎo)率的鐵氧體材料，這樣就可以提高天線的磁導(dǎo)率，即可在等效面積變小的情況下得到足夠的開路電壓。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，降低成本的目的。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值的提高問(wèn)題。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。現(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)人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前提下進(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。可以根據(jù)實(shí)際情況和用戶的要求設(shè)定約束條件，如版圖面積，最小開路電壓，最小輸入功率等。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，比如工業(yè)設(shè)計(jì)、制造業(yè)、人工智能等。在本節(jié)中，將介紹利用遺傳算法優(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)膸缀纬叽纾咕€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，要生成一個(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 等提出合理的種群大小應(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)到提高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 定理天線的開路感應(yīng)電壓V2P-P 為：V2P?P = 2πfBA，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)

圖一、等效電路

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)引入的能量損耗；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：

圖二、等效物理模型