[讨论]关于用HFSS进行RFID标签天线仿真的一个问题

各位好， /f
drf  
     关于用HFSS仿真UHF标签天线，论坛上之前有很多相关的讨论和咨询，我自己之前也跟圈子里的一些朋友，包括学校里的还有企业里的做过讨论，但是有一个问题一直没有一个很有说服力的广泛的共识，在探讨这个问题之前，我先针对这个问题的讨论说明几点建议： 0o:R:*  
1，HFSS只是一个仿真工具，不是一个设计工具，不能依赖它来进行详细的设计，只能去验证一些设计的思路和结果，从这点上说，我们得搞清楚HFSS给我们的结果，一定是我们自己预期内的或者很清楚的，一方面需要知道HFSS是通过什么公式或者规则仿真得到的这个结果，另一方面需要知道这个过程跟我们理论推导或求证的原理是否一致，之所以强调这点，是因为很多人总是习惯说我用HFSS仿真结果看起来不错，做出来的东西效果也可以，所以我认为我的设置和仿真结果是对的，这个是逻辑颠倒了。另一方面有的人又发现不管怎么样仿真都没有得到跟别人一样的结果，哪怕模型和设置一样，于是就说HFSS的误差太大，不可信，只能当成一个参考，关于这点我想说，HFSS不会自己产生这个误差，在不考虑天线实际使用的各种不可预知因素条件下，HFSS的仿真结果应该是跟理想测试条件下的结论高度吻合的，你的结果偏差太大是你的问题不是软件的问题，至于什么问题别人没看到你的东西也说不清楚，可能是边界设置问题，可能是端口激励问题，总之别用自己的错误结论当成标准来反驳HFSS的准确性，否则有点太不尊重开发软件的那些大牛了。 F|@\IVEB]  
2，对于一些参数设置和操作，我们在讨论的时候需要说明为什么，就是说为什么你要这么设置，基于什么原理和经验，这个原理和经验来自哪里，是否科学论证的结论，还是说听别人这么说或这么做，自己就这么做，因为你的说法对错会影响到其他人，有些东西大家都习惯于直接去引用或者转述，而不是自己摸索或求证，这对于一些看似简单其实不简单的问题就很容易视而不见了。 Vcnc=ct  
今天要跟大家讨论的，是关于用HFSS仿真UHF标签天线的一些设置以及结果输出问题，对应的会有一些基本理论的探讨，为了说明问题，我先啰嗦一些基本的东西： Mmg~Fn  
在标签天线设置中，由于标签芯片源阻抗是一个容抗很大的复数，所以与传统的50欧姆匹配不同，由于标签天线跟芯片之间是直接连接的，也就是说源可负载之间没有传输线，根据最大功率传输理论和电路模型推导，我们知道天线的阻抗是需要跟芯片阻抗互为共轭的，这里暂且不考虑芯片阻抗是跟频率和输入功率大小有关，假定是要做到一定频带范围，中心频率是915MHz的标签天线，我们一般都是要把天线设计成阻抗为915MHz芯片阻抗的共轭，也就是有对应的很大感抗的天线，这样整个电路上的感抗和容抗是相互抵消的，没有保留的能量，负载上会得到最大的功率。这里涉及到一个概念，就是阻抗匹配的概念，在源阻抗是复数的最大功率传输电路中，很多专业论文和结论引出一个对应的反射系数=Zl-Za*/Zl+Za,这个被称为最大功率匹配时的反射系数，而我们之前一直接触到的一个反射系数是Zl-Za/Zl+Za，这个是无反射匹配时的反射系数，而且，它跟源和负载是不是纯实数没有任何关系，好多人说当阻抗是复数时这个公式就用不了了，这是错误的，这个在很多课本里都有，这两个反射系数的前提是不一样的，那么是不是最大功率传输的同时，对应着也没有反射呢，这个问题我跟很多人探讨过，我看到有的论文上也探讨过，单纯从数学公式看，这两个匹配时不需要同时成立的，也就是说无反射匹配时，不一定能达到最大功率传输，而同样的，最大功率传输时，也不一定需要无反射，很多书上解释最大功率传输时，认为源和负载可以有反射，只是因为反射会在源与负载之间来来回回产生多次反射，所以这个时候的反射系数是一个累积量，而不是一个瞬态量，所以源与负载之间达到最大功率匹配时，按照Zl-Za*/Zl+Za来看，对于的反射系数也是等于0的，但是如果按照Zl-Za/Zl+Za看，反射系数是不为零的，这两个不矛盾，因为是两种前提条件下的反射系数，所以对于最大功率匹配时，到底有没有反射，要看你所谓的反射是建立在源与负载本身没有反射的基础上，还是建立在负载达到最大功率传输基础上，如果是前者，那么肯定是存在反射的。当然，以上这两种区别，在源于负载按照50欧姆匹配时是不用担心的，因为没有虚部，两者完全一样。 _!_1=|[  
那么上面这个内容跟我们的仿真有什么关系呢，在HFSS中，很多人纠结过到底端口激励该怎么设置，总结看有以下几种常见的设置方式： vmh>|N4a7  
1，激励界面的full port impedance设置为默认的50欧姆，归一化到50欧姆。 | AiMx2  
2，激励界面的full port impedance设置为芯片的共轭匹配值，归一化到50欧姆。 P](
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3，激励界面的full port impedance设置为芯片的共轭匹配值，归一化到这个共轭值。 J57; X=M  
4，5,6,按照以上设置，但是不归一化。 9ENI%Jz  
我看到很多人包括在一些论文和书籍上用到了其中一种，到底哪种设置正确，首先要搞清楚HFSS里的这个玩意是干嘛的，设置不同值在如何影响结果，影响哪些结果。说说我的一些理解： cICfV,j  
不管端口如何设置，绝对不会受影响的天线参数是增益和输入阻抗值，也就是Z参数，为什么呢，这个你通过不同参数设置的结果也可以看得到，为什么呢，因为增益是衡量一个天线在指定频率下，对特定能量在空间集中的一个能力，也就是说，只要天线尺寸结构确定了，这个天线对一定频率下的定量能量在空间辐射的特性是不变的，而且增益公式也看不到任何除了尺寸和频率外的变量，所以HFSS中的天线仿真的增益跟你在端口如何设置是没有任何关系的，同样的，输入阻抗也不受端口设置影响，至于到底有多少功率进到端口多少功率反射那是天线跟源或者传输线是否匹配的问题，所以，端口激励的设置，是影响了S11以及VSWR等参数，因为这些参数都是反映的天线能否把输入功率最大化的辐射出去。 UmY{2 nzY  
那么，对于上面6种不同设置，其实都不影响增益和输入阻抗，但是影响我们看到的S11和驻波比，因为我们习惯通过看这个曲线来判断天线是否谐振在预期频点，频带是否满足要求以及是否S11小于15dB.那么首先可以确定，端口默认50欧姆，还用HFSS默认的S11去看结果的方式肯定是错误的，因为这个天线完全是跟芯片阻抗没有任何关系了，也就是说不管用什么芯片，标签天线尺寸和性能都一样，这肯定是不对的。但是这个方式我也在一些书籍和同行中看到过。 R:j mn  
那么比较有争议的是两种设置方式：在激励端口设置共轭阻抗然后直接采用HFSS默认的S11和VSWR或者默认50欧姆，在输出中编辑公式，一般常见的几个公式是：1，编辑功率传输系数公式，然后用1减去此系数，再平方根，再dB;2,编辑ZL-Za*/Zl+Za,3,编辑Za-Zl*/Za+Zl,  这三种设置方式得出的曲线是完全一样的，因为本质上就是一码事，都是采用了复阻抗最大功率传输时的反射系数公式。2和3无非是把哪一个阻抗看成是源的问题，我个人感觉把Za也就是天线看成源阻抗更合理一些，因为对于UHF标签来说，采用后向散射耦合方式与读写器天线通信，芯片的能量来自于标签天线获取到的能量，然后被激活启动，所以需要保证天线获取到的能量最大的传输到芯片，才能在比较远的地方开启芯片工作，从而保证最大的传输距离。 ,RW`9+gx  
但是，以上三种设置方式得出的S11和采用激励端口设置芯片的共轭阻抗得出的S11和VSWR是完全不同的，而且曲线普遍表现的非常好，对于设计良好的天线，在整个频带范围内，甚至更大的频带范围内都能达到-10dB以下，感觉有点好过头了，但是这两种方式的设置，共同点是曲线整体的趋势完全一样，也就是说谐振点很接近，且曲线弯曲变化一致，唯一不同的是采用共轭值设置的默认S11在同样的频点上比编辑公式得到的S11低了十几甚至几十个dB,也就是说匹配好了很多，那么到底哪一种对呢，我听到很多不一样的看法，有的人说不能在激励端口设置复阻抗，否则输出结果有时会比较怪异，有的说就直接编辑公式，但是为什么可以，为什么不可以，很少有人解释清楚，我个人对于端口激励这里的值，有两种不同的理解，希望跟大家一起探讨，第一种理解是，这个值，就是特征阻抗值，也就是传输线理论中的Z0，那么对于负载来说，当Z0设置为芯片共轭值后，从传输线看进去的反射系数就等于Za-Zc*/Za+Zc*,这个就是HFSS的S11的计算公式，当端口设置为芯片复阻抗时，直接编辑这个公式得出的S11和HFSS默的S11曲线时完全吻合的。当我们查看传输线负载匹配结果时，是不需要考虑源阻抗和负载是否匹配的，这个课本上都有。 1}Y3|QxF  
第二种理解是，这个端口激励，就是用来测量负载匹配的一个参考值，类似于网分的内阻，而负载就是跟这个内阻去做无反射匹配的，负载值和这个内阻值越接近，S11和VSWR越小，表示负载天线的匹配越良好，所以无论是网分还是HFSS，其输出的S11和VSWR都是按照无反射匹配去输出结果的，而我们的匹配目标是按照最大功率传输去匹配的，因此为了测量的需要和观察的方便，我们可以在天线设计和尺寸确定后，通过设置激励 .. _?bO /y_y  
ci/qm\JI<<  

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建议的做法是：用激励用50欧姆，仿真出增益和阻抗后对数据进行处理得到正确的S11 Tp?
IK_  

正在学习，感谢楼主分享心得！

myking:建议的做法是：用激励用50欧姆，仿真出增益和阻抗后对数据进行处理得到正确的S11 }6{00er  
 (2014-05-21 09:57)  $?[pcgv  

t!B,%,Dp  
myking，可以详细说说如何对数据进行处理，对哪些数据进行处理？以及你关于这两种不同的设置得出的S11的理解吗？

    如果源和负载的阻抗都是复数，那么反射系数的计算公式需要修正。台大田庆诚的课程中有提到过，这是我几年前看到过的，修正后的公式是什么样子的我忘记了。 @,W5K$Ka=  
    另外关于HFSS的仿真RFID标签天线，在实际中影响标签性能的因素太多了，芯片封装时，会存在寄生电容，跟封装时的温度、压力，还有贴片的pad gap有关。 :<5jlpV(  
    更关键的问题在于，天线的样品做出来，很难直接测的天线的实际阻抗，进而跟HFSS的仿真结果相比较，来验证仿真与实际的差距。 6%wlz%Fp  
    在商业中，RFID标签一般不会直接测阻抗的，都是贴好芯片测灵敏度。 C!6D /S  
个人见解，供参考。

river520dj:    如果源和负载的阻抗都是复数，那么反射系数的计算公式需要修正。台大田庆诚的课程中有提到过，这是我几年前看到过的，修正后的公式是什么样子的我忘记了。 *R7bI?ow  
    另外关于HFSS的仿真RFID标签天线，在实际中影响标签性能的因素太多了， .. (2014-05-22 17:06)  `v'yGsIV  

n_wF_K\h  
river520dj, 应该不是需要修正，而是一般课本里的那个反射系数公式Zl-Zs/ZL+Zs或者Zl-Z0/Zl+Z0,其中的Zs或者Z0应该都是默认的实数，也就是说负载和源阻抗直接连接时，如果源阻抗是实数，那么这个反射系数这么写没问题，或者说通过传输线连接负载，传输线特征阻抗是实数，这个公式也没问题，这时候其实负载不需要也是实数，应该是往回看的那个阻抗是实数这个公式就适用，而这个公式其实是（Zs/Zs*）*（Zl-Zs*）/（Zl+Zs）这个公式的特殊情况，因为当Zs为实数时，其共轭和它本身是一样的，如果这么理解，那么我们只要看看课本上之前那个反射系数的推导公式中，在哪个环节说明或者限定了往回看的阻抗是实数就可以，如果说整个推导过程中，从数学理论过程看，没有一个地方能够解释必须有一个值是实数，那么不同的反射系数公式建立的基础和理论原型还是有区别的，我现在想弄清楚问题到底出在哪里，而不是某个课本上或哪个人说应该是怎么样的。另外，你在做标签仿真时，查看S11和VSWR时，是通过编辑的公式去看的吗，结果跟直接设复阻抗端口激励用默认S11看是不是会差很多？你有没有去用同样的方式去仿真一些论文或者期刊上的天线，和他们的结果曲线对比过，是否跟你的结果一致，我们讨论理论和仿真时，优先是不考虑实际影响因素的，不是说这么影响不重要，是需要逐步去分析设计的过程，就好像我们学传输线都是从理想传输线开始一样，不能说因为没有理想传输线存在，这些东西就没必要细究或者学习了。

哇。。。学习了。。。楼主威武！

哇。。。学习了。。。楼主威武！

学习了 楼主大牛