1. 引言
随着汽车“新四化” [1] 的发展，汽车钥匙也在经历着翻天覆地的变化，从最初的摇把 [2] 机械结构到21世纪初的无钥匙进入及启动(Passive Entry Passive Start, PEPS)系统 [3] [4] [5] ，再到如今以近场通讯(Near Field Communication, NFC)技术 [6] [7] 、低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy BLE)技术 [8] [9] 和超宽带(Ultra Wideband, WUB)技术 [10] [11] 为主流的数字钥匙技术。数字钥匙技术以云端为桥梁，构建了用户手机或者智能钥匙设备与汽车终端的双向认证通道，实现了智能钥匙端与车载终端之间的通讯，让用户可以仅凭一部手机便可解锁汽车并不需要携带额外的车钥匙。其中NFC技术作为第一代数字钥匙技术存在着诸多优势。首先，NFC技术的安全性通过硬件实现，10 cm的工作距离也使得NFC钥匙在使用时被窃听的风险得到降低。其次，NFC技术整体硬件框架简单，开发成本较低，并且射频芯片货源成熟且稳定。最后NFC技术的功耗极低，通过相关的软件设计和元器件选择可以实现低功耗检测卡片，即使在手机关机的情况下也能开启汽车门锁。
综上所述，本文面向汽车进入功能提出一种基于NFC技术的汽车门把手天线设计，利用HFSS软件对NFC天线进行建模与仿真，并通过回波损耗、电压驻波比、方向性对天线性能进行综合评价。
2. 基于HFSS的NFC天线设计
2.1. NFC系统工作原理
通常NFC系统由读卡器设备与卡/标签设备共同组成，二者内部均置有NFC天线且在13.56 MHz频段下工作。如图1所示，当NFC系统开始工作时，读卡器将通过天线不断地向外部发射电磁波无线信号，如果带有NFC天线的卡片或者标签靠近读卡器的工作距离时，两者的线圈通过电磁耦合的形式产生足够的能量产生感应电流，激活卡/标签设备中的芯片并开始工作，读卡器识别到卡/标签设备后，通过电磁波发射带有信息的编码并读取来自卡/标签设备的回复，从而实现数据间的传输。
本次所设计的门把手天线属于读卡器天线，用户使用NFC手机或者NFC设备在门把手区域进行刷卡操作即可实现开锁功能。
2.2. NFC天线设计要求
NFC天线被要求在13.56 MHz频率下工作，相较于传统天线而言工作距离较短，需要通过电磁耦合的方式传输电磁信号，因此可将NFC天线视为一种耦合线圈。表征耦合线圈天线特性参数主要有：回波损耗、输入阻抗、增益、辐射方向图、频宽等。在设计天线时需要结合本门把手系统对天线的要求，在
Figure 1. Working principle of NFC system
图1. NFC系统工作原理图
本系统中，天线需要被安置在汽车门把手内部狭窄修长的空间中，属于小型天线，因此需要合理设计天线的尺寸，以符合门把手内的布局，同时满足天线的性能要求。本次NFC门把手系统的天线设计要求如下：
(1) NFC的工作频率为13.56 MHz；
(2) 天线整体尺寸满足门把手内部90 mm × 18 mm的空间使用；
(3) 天线的等效电感值约等于1 µH [12] ；
(4) 需要合理设计匹配电路，确保天线的回波损耗小于−10 dB，且电压驻波比接近1。
3. 基于HFSS的天线设计
3.1. 模型设计
在本设计中，根据门把手的结构大小初步将PCB板的尺寸设置为长90 mm，宽18 mm，天线的结构尺寸设置为长80 mm，宽17 mm。如图2所示，图中线圈的长和宽分别定义为Lx与Ly，走线宽度与走线间距分别定义为w与s，板厚设置为H。Input与Gnd为板载天线的馈电输入点，在Input端与Gnd端设置了一个集总端口来定义端阻抗。
在该模型中，设置NFC天线走线为理想导体边界条件，设置空气盒为辐射边界条件，空气盒大小为500 mm × 500 mm × 500 mm，介质板材料选用了玻璃纤维环氧树脂，即FR-4，端口阻抗值定义为50 Ω。
3.2. 天线结构参数对等效电感值的影响
天线的尺寸与天线的性能并不呈现正相关性，如果天线的尺寸设计得过小，那么天线的等效电感值将减小。反之，天线的尺寸设计得过大会增加天线的等效电感值，但是会减小与之匹配的电容值，增大匹配设计难度 [13] 。设计时，需要综合考虑天线的结构尺寸、天线电感值大小以及天线参变量选择。
首先，本节研究天线电感值与工作频率之间的关系。当Lx为80 mm，w为1 mm，s为1 mm，H为1.6 mm，频率的变化范围为5~20 MHz时，天线的等效电感值与频率的变化关系如图3所示。
Figure 3. Curve of antenna equivalent inductance value and frequency
图3. 天线等效电感值与频率的关系曲线
通过上图可知，天线的等效电感值与频率呈现正相关关系，随着工作频率的增大，天线的等效电感值也不断增大，在工作频率13.56 MHz下，天线的等效电感值为0.6267 µH。
第二，本节研究天线电感值与线圈长边Lx的变化关系。当w为1 mm，s为1 mm，H为1.6 mm时，线圈的长边Lx的变化范围为75~85 mm，天线的等效电感值与线圈长边Lx的变化关系如图4所示。
通过上图可知，线圈的面积对天线的等效电感值影响较大，并且呈现出正相关性，当线圈长边Lx逐步增大的过程中，天线的等效电感值也逐步增大，并且当Lx取得最大值85 mm时，等效电感值也为最大值0.6563 µH。为了保证天线的性能，并尽可能接近设计目标值，本文将采用Lx = 85 mm。
第三，本节研究天线电感值与线圈走线宽度w之间的关系。当Lx为80 mm，s为1 mm，H为1.6 mm时，线圈的走线宽度w的变化范围为0.5~1 mm，天线的等效电感值与线圈的走线宽度w的变化关系如图5所示。
Figure 4. Curve of antenna equivalent inductance value and Lx
图4. 天线等效电感值与边长关系曲线
Figure 5. Curve of antenna equivalent inductance value and w
图5. 天线等效电感值与走线宽度关系曲线
通过上图可知，线圈的走线宽度w对天线的等效电感之影响较大，并且呈现出负相关关系。在走线宽度从0.5 mm增大到1 mm的过程中，天线的等效电感值逐步减小，当线圈走线宽度w为1.5 mm时等效电感值取得了最小值0.5656 µH，在w为0.5 mm时等效电感值取得了最大值0.9336 µH。为了保证天线的性能，让天线的等效电感值逼近设计目标值，本文将采用w = 0.5 mm。
第四，本节研究天线电感值与线圈走线间距s之间的关系。当Lx为80 mm，w为1 mm，H为1.6 mm时，线圈的走线间距s的变化范围为0.5~1 mm，天线的等效电感值与线圈的走线间距s的变化关系曲线如图6所示。
Figure 6. Curve of antenna equivalent inductance value and s
图6. 天线等效电感值与走线间距关系曲线
通过上图可知，线圈的走线间距s对于天线的等效电感值影响很大，并且呈现负相关性。在走线间距s从0.5 mm增大到1 mm的过程中，天线的等效电感值逐步减小，并且在s为1.5 mm时等效电感值取到最小值0.527 µH，在s为0.5 mm时等效电感值取到最大值0.7163 µH。为了保证天线的性能，并让等效电感值趋近设计目标值，文本将采取s = 0.5mm。
最后，本节研究天线电感值与介质板厚度H之间的关系。当Lx为80 mm，w为1 mm，s为1 mm时，介质板厚度H的变化范围为1~2 mm，天线的等效电感值与介质板厚度H的变化关系如图7所示。
由上图可知，介质板厚度H对天线的等效电感值影响较小，呈现出非线性关系，当介质板厚度H从1 mm增大到2 mm的过程中时，等效电感值在H为1.2 mm时取得最大值0.6315 µH，在H为2 mm时取得最小值0.6121 µH。本文为了使后续的制板过程方便，选取了PCB常见的厚度，即取H = 1.6 mm。
综上所述，本文所设计的NFC天线各个结构参数确定为，线圈长边为85 mm，线圈短边为17 mm，线圈走线宽度为0.5 mm，走线间距为0.5 mm，介质板厚度为1.6 mm，匝数为3匝。将上述参数重新对天线进行建模，经过仿真得到结构改进后的天线等效电感值与频率的关系如图8所示。
经过结构改进后，目前的天线等效电感值可以达到0.9871 µH，这个值已经非常接近目标设计值1 µH，后文将根据这个值作为基准，进行后文的匹配电路计算。
3.3. 匹配电路设计
阻抗匹配的目的是为了实现射频电路中最大功率传输和频率宽带性能。当天线的输入和输出端口的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，会导致反射信号的出现，使得信号能量衰减无法完全传输到天线上，造成功率损失并影响信号的频响特性。因此在天线射频电路的设计中进行阻抗的匹配是非常重要的。常见的串联形式单端匹配电路如图9所示，包含一个串联电阻Rm、一个串联电容C1和一个并联电容C2。
从HFSS软件中获得的Smith圆上，可以读出天线达到自谐振频点时所在的0˚相位的位置，利用标记工具获取在工作频点13.56 MHz下天线的阻抗值与电感值。
Figure 7. Curve of antenna equivalent inductance value and H
图7. 天线等效电感值与板厚关系曲线
Figure 8. Curve of improved antenna equivalent inductance value and frequency
图8. 改进后天线等效电感值与频率关系曲线
Figure 10. Smith chart of antenna self-resonance
图10. 天线自谐振Smith圆图
令归一化的阻抗为50 Ω时，由图10可知。
(1)
则天线的损耗电阻为：
(2)
此时，等效电感值可从阻抗的虚部计算而得，即：
(3)
与计算值与等效电感曲线获得的值几乎相同，且落在合理的设计范围之内。
若定义品质因数Q = 10，那么在阻抗匹配电路中的串联电阻阻值则可根据下述公式计算获得：
(4)
其中X为所设计天线的总阻抗，即归一化总阻抗的虚数部分。R为阻抗匹配电路中的总电阻值，即
。将公式(1)与公式(2)中所获得的值代入公式中，便可获得串联匹配的电阻值，即：
(5)
借助Smith圆图工具可得，如图11所示，在确定好Smith圆起点后沿着等电感线确定Rm值为8.4 Ω所在的点，其次确定出8.4 Ω所在的等电阻圆与50 Ω等电阻圆的交点，确定出需要并联的电容C2值为82.1 pF，最后逆时针沿着等电阻圆与纯电阻线的交点确定出串联电容C1的值为59.4 pF，如图12所示。
Figure 12. The calculated results of impedance matching
图12. 阻抗匹配结果值
4. 天线性能评价
如图13所示，将前一章节所计算的匹配电路参数值代入天线模型的馈电部分后，可以借助仿真对所设计的天线性能进行评价，主要包括Smith圆图、回波损耗与电压驻波比。
Figure 13. Adding matching components to antenna model
图13. 模型中加入匹配元件
4.1. 匹配后的Smith圆图
由图14可知，天线经过匹配设计之后，阻抗曲线产生了变化，此时工作频点接近纯电阻线，天线幅值差为0.0436。当该差值越小时，表示天线越接近完全匹配。
4.2. 回波损耗
反射系数定义为反射波电压和入射波电压的比值，数学表达式见公式(6)。
(6)
(7)
其中Z0为系统的源阻抗，ZL则为系统的负载阻抗，可见示意图。当系统的源阻抗与负载阻抗相等时，即系统处于完全匹配时，传输的电压能量被负载完全吸收，此时反射系数值为0。
回波损耗定义为入射功率和反射功率的比值，并以dB形式表示，见公式(7)。一般要求所设计的天线的回波损耗要小于−10 dB，即反射约30%的信号，基于HFSS软件得到的天线回波损耗曲线如图15所示。
由图可知，当天线达到工作频点13.56MHz时，回波损耗降至-24.9dB，-10dB以下的有效带宽为0.86MHz，符合本次NFC天线的设计要求。
4.3. 电压驻波比
电压驻波比定义为波腹电压和波节电压的比值，其数学表达式见公式(8)。电压驻波比的变化范围是1到+∞，在完全匹配的状态下，即无反射电压时，电压驻波比为1。因此在设计阶段应当保证此值尽可能接近1。如图16所示，本次HFSS仿真中，所设计的天线的电压驻波比为1.1208，损失了较少的能量。
(8)
Figure 16. Curve of antenna voltage standing wave ratio
图16. 天线的电压驻波比曲线
以上结果表明，天线实现良好的阻抗匹配，性能优异。天线工作在13.56 MHz频率下，回波损耗和−10 dB带宽都满足NFC通信中对天线的性能要求，驻波比系数反映了天线匹配电路良好，达到设计指标。
5. 总结
本文面向汽车进入功能，设计一种用于汽车门把手环境下的NFC天线。基于HFSS软件完成了对门把手天线的模型设计，通过分析天线的等效电感值得出了以下结论：
(1) 天线结构中，矩形线圈的边长越大，天线的等效电感值越大；线圈的走线宽度越大，天线的等效电感值越小；线圈的走线间距越大，天线的等效电感值越小。本次设计中确定了线圈的边长为85 mm与17 mm，走线宽度为0.5 mm，走线间距为0.5 mm。
(2) 介质板的厚度与天线电感值呈现出非线性关系，在设计阶段可以使用常见的制板厚度，并选出令等效电感值较大的值。本次设计中采用了1.6 mm的厚度。
(3) 本次设计的天线的等效电阻值为987 nH，符合NCF3320的设计区间；天线的回波损耗为−24.9 dB远小于−10 dB，损耗较小；电压驻波比为1.1208，匹配程度较高。综上所述，本次天线及其射频电路的设计较为成功。
后续可以完成的工作有：将线圈匝数对天线等效电感值的影响考虑在内；在匹配电路的设计过程中考虑EMC滤波器对天线性能的影响，在仿真方面提高完整度；在评价指标方面增加近场的磁场分布情况和场强云图来佐证天线设计的合理性。
致 谢
感谢学院张老师对本次研究的支持，感谢杨师兄对论文的帮助和点播，也离不开徐工、孙工等优秀工程师专业的指导和点评。