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，是近幾年發展起來的前沿科技項目。而標簽天線作為射頻識別系統實現的關鍵部件，它的優化設計對于降低成本，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入具有高磁導率的鐵氧體材料，這樣就可以提高天線的磁導率，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減小體積，降低成本的目的。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，但是涉及的內容主要是針對集成天線在超高頻下線圈Q值的提高問題。在較低頻率的場合，線圈本身的Q值十分小，對系統的工作性能并不能起到決定性的作用。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。現有的高頻頻段集成線圈天線的設計主要是依靠經驗選擇參數進行重復迭代，這樣的方法要求設計人員有一定的背景知識，需要依靠經驗對參數進行選擇和調節，而且工作重復費時。并且由于采用簡單的迭代選擇的方法，可改變的參數有限，所以都是在特定工藝的前提下進行設計。

本文使用遺傳算法對片上天線的幾何參數和工藝參數優化。可以根據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，最小輸入功率等。通過設定約束條件，可以設定參數的調節范圍和天線的性能要求，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圈天線進行優化設計

遺傳算法是一種有效的全局搜索方法，從產生至今不斷擴展其應用領域，比如工業設計、制造業、人工智能等。在本節中，將介紹利用遺傳算法優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作為適應度函數，求滿足系統要求并且電路效率最高的線圈幾何參數。

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的幾何尺寸，使線圈達到系統要求的性能。而線圈需要變化的幾何參數有外邊長l，線圈匝數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 這三個工藝參數可以參與優化，參與進化的參數為{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，此時參與進化的參數為{l，n，w，s }。我們將每個十進制參數編碼成一個8 字節的二進制數，然后將所有參與進化的參數的二進制數組合起來形成一個染色體。

在遺傳算法初期，要生成一個初始種群，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 提出了一種根據染色體長度來計算最佳種群大小的啟發式求解方法，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 等提出合理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的幾何參數，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Q，以達到提高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)，用回路品質因數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Farady 定律和Biot-Savart 定理天線的開路感應電壓V2P-P 為：V2P?P = 2πfBA，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)

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構引入的能量損耗；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GreenHous提出的Bryan 法進行計算。其計算公式如下：

圖二、等效物理模型