臺灣博碩士論文加值系統

本論文的內容為針對可應用於ISO14443協定下之近場環狀天線(Loop Antenna)設計的研究與分析，內文試圖結合基礎理論與電磁模擬之驗證，進以尋得最佳的天線結構。
於此論文中，吾人利用了微帶傳輸線的理論來設計環狀天線的主體電感架構。從中可分析物理尺寸(懸空高度,線寬,線距,圈數)對於其對應電感值,品質因子( 值)之影響，再利用微帶線的懸空結構及調整導線的線寬進一步降低了渦旋電流的效應，提升品質因子。本論文更進一步探討實作中容易遇到的渦旋電流與雜散寄生電容效應的問題並提出實際的改善方法。

The main focus of this thesis is on the design of near-field loop antenna under the protocol ISO14443. In order to facilitate the antenna design, theoretical investigations and electromagnetic simulation verifications are given in this study to aid the design.

The theory of microstrip transmission lines is used to aid the design of loop inductors in the antenna structure. How does the physical dimensions (suspended height, line width, line spacings and the number of turns) affects the corresponding inductance and quality factor can then be analyzed. Further use suspended structure and adjust the width of the line reduces the effect of the eddy current and improve the quality factor. Moreover, the thesis gives a discussion on the commonly-met eddy current and stray parasitic capacitance effect and provide feasible solutions to compensate them.

摘 要 i
ABSTRACT ii
誌 謝 iii
圖目錄 viii
表目錄 xii
1 序論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 1
1.3 章節大綱 2
2 天線的基本概念 3
2.1 前言 3
2.2 天線的基本原理 3
2.3 天線的種類 4
2.4 天線的場區 4
2.4.1 電抗近場區 5
2.4.2 輻射近場區 5
2.4.3 輻射遠場區 6
2.5 天線的等效電路 7
2.6 天線的輻射效率和天線效率 8
3 環狀天線基本理論 9
3.1 前言 9
3.2 Maxwell's 方程式 9
3.3 環狀天線之磁場強度 11
3.4 環狀天線之電場強度 12
3.5 環狀天線中心磁場強度 13
3.6 環狀天線電抗近場的功率密度 14
3.7 環狀長方型天線磁場強度 15
4 環狀天線的阻抗匹配 17
4.1 前言 17
4.2 微帶線(MICROSTRIP LINE)原理 17
4.3 高阻抗微帶線的理論值 22
4.4 微帶線的互感效應 24
4.5 懸空微帶線(SUSPENDED MICROSTRIP LINE)結構 26
4.5.1 懸空微帶線理論 26
4.5.2 反懸空微帶線理論 27
4.6 最大功率轉移 28
4.7 SMITH CHART觀念做匹配 30
4.8 半電路概念分析環狀天線 33
4.9 半電路匹配 35
5 環狀天線的特性 37
5.1 前言 37
5.2 渦旋電流(EDDY-CURRENT)對導線電流所造成的影響 37
5.3 法拉第定律(Faraday's　Law) 38
5.4 磁場降低對RFID系統所產生的影響 39
5.4.1 TAG感應距離縮短 39
5.4.2 READER環狀天線Q值的變動 40
5.5 集膚效應(SKIN EFFECT) 40
5.6 環狀天線的Q值 42
5.6.1 電路Q值的定義 42
5.6.2 串聯電路轉換成並聯電路Q值的關係 44
5.6.3 串聯諧振的電壓共振現象 45
5.6.4 Q值和頻寬的關係 48
5.7 環狀天線的等效模型 49
5.8 選擇環狀天線的匝數 51
6 ISO14443協定下環狀天線的設計 52
6.1 前言 52
6.2 RFID近場耦合的系統運作 52
6.3 非接觸智慧卡的系統架構 53
6.4 ISO14443的協定 54
6.4.1 調變和編碼 55
6.4.2 Type-A編碼 56
6.4.3 Type-B編碼 57
6.4.4 數位調變(DIGITAL MODULATION) 58
6.4.5 負載調變(LOAD MODULATION) 61
6.4.6 使用副載波(SUBCARRIER)的負載調變 62
6.5 信號頻寬和通道頻寬的關係 63
6.6 設計環狀天線的Q值 64
7 環狀天線的HFSS模擬與實作 66
7.1 前言 66
7.2 模擬板厚0.5mm，長度1cm，線寬介於4~36mil的微帶線特徵阻抗，電感值和Q值 66
7.3 模擬板厚0.8mm，長度1cm，線寬介於4~36mil的微帶線特徵阻抗，電感值和Q值 69
7.4 模擬板厚0.8mm，懸空高度介於2~10mm(80~400mil)的懸空微帶線特徵阻抗和Q值 72
7.5 模擬環狀天線的線距大小及懸空高度對電感值和Q值的影響 74
7.6 模擬環狀電感的匝數及懸空高度對電感值和Q值的影響 79
7.7 模擬環狀電感不同線寬及懸空高度對電感值和Q值的影響 83
7.8 模擬環狀天線的匹配網路 85
7.9 實做環狀天線匹配及量測 90
7.10 實務應用的問題與討論 96
7.10.1 模擬環狀電感渦旋電流對不同線寬電流的影響 96
7.10.2 環狀天線寄生電容的補償 97
8 結論 101
附錄一 102
附錄二 105
附錄三 107
附錄四 111
附錄五 112
參考文獻 115

[1] C. A. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design. Wiley Interscience, 2005, Chapter2, Chapter14.
[2] W. L. Stutzman and G. A. Thiele, Antenna Theory and Design. John Wiley &; Sons, 2012, pp.72-73.
[3] T. C. Edwards and M. B. Steer, Foundations of Interconnect and Microstrip Design. Wiley Interscience, 2000, pp.99-102.
[4] J.-S. Hong and M. J. Lancaster, Microstrip Filters for RF/Microwave Applications. John Wiley &; Sons, 2001, pp.101-129.
[5] D. M. Pozar, Microwave Engineering. John Wiley &; Sons, 2012,Chapter2-4.
[6] Y. Lee, AN710-Antenna Circuit Design for RFID Applications. Microchip, 2003, pp.15-17.
[7] P. Bhartia and R. S. Tomar, "New quasi-static models for computer-aided design of suspended and inverted microstriplines," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-35, Apr.1987.
[8] C. Bowick, RF Circuit Design. Newnes, 1982,Chapter4.
[9] Lopez-Villegas, "Improvement of the quality factor of RF integrated inductors by layout optimization," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 48, Jan 2000, pp.76 -83.
[10] M. Park, "The detailed analysis of high Q CMOS-compatible microwave spiral inductors in silicon technology," IEEE Trans. Electron Devices., vol. 45, Sep 1998, pp.1953 -1959.
[11] K. Finkenzeller, RFID手冊 無線智慧卡與識別卡之基礎與應用(第三版) RFID-HANDBUCH3.AUFLAGE ISBN 978-957-21-5716-9. 全華, 2007.
[12] ISO, ISO/IEC 14443 Identification cards - Contactless integrated circuit(s) cards - Proximity cards. ISO/IEC, 1997.
[13] F. Xiong, Digital Modulation Techniques. Artech House, 2000, pp.9-15, pp.521-527.
[14] S. Philips, "Mifare (14443A) 13.56MHz RFID Proximity Antennas " Semiconductors Philips, 2002.