基于遺傳算法的高頻標簽天線(xiàn)的優(yōu)化設計

1 引言

射頻識別技術(shù)是一種無(wú)線(xiàn)的、非接觸方 式的自動(dòng)識別技術(shù)，是近幾年發(fā)展起來(lái)的前沿科 技項目。而標簽天線(xiàn)作為射頻識別系統實(shí)現的關(guān)鍵部件，它的優(yōu)化設計對于降低本錢(qián)， 減小體積起到重要的作用。低頻和高頻頻段標簽天線(xiàn)的主要形式是線(xiàn)圈。在低頻頻段減小天 線(xiàn)體積的方法主要是在線(xiàn)圈中插進(jìn)具有高磁導率的鐵氧體材料，這樣就可以進(jìn)步天線(xiàn)的磁導 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(xiàn)集成到 芯片上的方法來(lái)實(shí)現減小體積，降低本錢(qián)的目的。集成天線(xiàn)可選的結構有平面螺旋形，柵形 和螺線(xiàn)管形，但是考慮到天線(xiàn)的總等效面積只能選用平面螺旋結構。

國內外對平面螺旋結構的集成線(xiàn)圈天線(xiàn)所做的研究很多，但是涉及的內容主要是針對集 成天線(xiàn)在超高頻下線(xiàn)圈Q 值的進(jìn)步題目 。在較低頻率的場(chǎng)合，線(xiàn)圈本身的Q值十分小， 對系統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有的高頻 頻段集成線(xiàn)圈天線(xiàn)的設計主要是依靠經(jīng)驗選擇參數進(jìn)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)驗對參數進(jìn)行選擇和調節，而且工作重復費時(shí)。并且由 于采用簡(jiǎn)單的迭代選擇的方法，可改變的參數有限，所以都是在特定工藝的條件下進(jìn)行設計。

本文使用遺傳算法對片上天線(xiàn)的幾何參數和工藝參數優(yōu)化?？梢愿鶕?shí)際情況和用戶(hù)的要求設定約束條件，如版圖面積，最小開(kāi)路電壓，最小輸進(jìn)功率等。通過(guò)設定約束條件，可 以設定參數的調節范圍和天線(xiàn)的性能要求，便可以在更大范圍內自主地選擇合適的參數以提 高能量傳遞效率。

2 運用遺傳算法對集成線(xiàn)圈天線(xiàn)進(jìn)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(lǐng)域 ,比如產(chǎn)業(yè)設 計、制造業(yè)、人工智能等。在本節中 ,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(xiàn)圈天線(xiàn)的方法 ,本文利用回路品質(zhì)因數作為適應度函數 ,求滿(mǎn)足系統要求并且電路效率 最高的線(xiàn)圈幾何參數。

2.1 染色體設計和初始化

集成線(xiàn)圈天線(xiàn)的設計是通過(guò)設計適當的幾何尺寸，使線(xiàn)圈達到系統要求的性能。而線(xiàn)圈 需要變化的幾何參數有外邊長(cháng)l,線(xiàn)圈匝數n,線(xiàn)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(gè)工藝參數可以參與優(yōu)化，參與進(jìn)化的參數為{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)化的參數為{l,n,w,s }。我們將每個(gè)十進(jìn)制參 數編碼成一個(gè)8 字節的二進(jìn)制數，然后將所有參與進(jìn)化的參數的二進(jìn)制數組合起來(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)染色體構成的。其中，對于 群體大小M 的選擇方面，Goldberg 提出了一種根據染色體長(cháng)度來(lái)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(cháng)度程指數遞增，這樣龐大 的種群數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(gè)體*價(jià)一個(gè)染色體的好壞，需要利用適應度函數進(jìn)行*價(jià)，并且設定一些約束條件對染色體的 進(jìn)化方向進(jìn)行進(jìn)一步的引導。本文對集成線(xiàn)圈天線(xiàn)的設計主要是通過(guò)選擇適當的幾何參數， 使線(xiàn)圈天線(xiàn)能夠滿(mǎn)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(jìn)行進(jìn)化，得到最好的回路品質(zhì)因數Q，以達到進(jìn)步電路工作效率的目的。

（1）適應度函數

設定適應度函數：f(n)=Q(n)，用回路品質(zhì)因數的大小來(lái)衡量染色體的適應性。 如圖一所示為集成線(xiàn)圈天線(xiàn)的等效電路，其中開(kāi)路電壓V2P-P 是標簽天線(xiàn)通過(guò)與閱讀器天 線(xiàn)的耦合獲得的電壓。根據 Farady 定律和Biot-Savart 定理天線(xiàn)的開(kāi)路感應電壓 V2P-P 為： V2P?P = 2π fBA ,其中f 為天線(xiàn)的工作頻率，B 為磁感應強度，A 為線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)圈的寄生電阻，表征了由金屬螺旋結構引進(jìn)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(xiàn)可視為等電位，因此相鄰金屬線(xiàn)之間的電容可以忽略。Ls為線(xiàn)圈的電感，根據GreenHous提出的Bryan法進(jìn)行計算。其計算公式如下：

（2）約束條件設定

為了進(jìn)步進(jìn)化效率，盡快的得到所需的進(jìn)化結果，我們設定一些約束條件對進(jìn)化方向進(jìn) 行引導限制。這樣的約束條件有些是必須滿(mǎn)足的，在選擇過(guò)程中，不滿(mǎn)足這些約束條件的染 色體會(huì )被自動(dòng)剔除掉。根據集成線(xiàn)圈的一般特點(diǎn)，設定參數的取值范圍如下： 0μm

同時(shí)，為獲得更大的搜索空間，當染色體不滿(mǎn)足有些約束條件時(shí)，設定一定的懲罰措施 來(lái)減弱這個(gè)染色體的競爭性，但是并不剔除。在集成線(xiàn)圈天線(xiàn)的設計中，我們要設計出性能 滿(mǎn)足系統要求的天線(xiàn)，所以設定約束條件為：VL ≥ Vr, P ≥ Pr ,l ≤ lmax。當染色體不滿(mǎn)足這樣的 約束條件的時(shí)候，我們設定一個(gè)懲罰函數來(lái)減小這個(gè)染色體的競爭能力，此時(shí)，這個(gè)染色體的適應度減弱為： f (n) Q(n) 10-5