一种电力工器具管理rfid陶瓷天线均匀直线阵设计方法

文档序号:10689708
一种电力工器具管理rfid陶瓷天线均匀直线阵设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种电力工器具管理RFID陶瓷天线均匀直线阵设计方法,包括S1建立天线作用区域模型,建立球面坐标与直角坐标系XYZ,确定极端点与判断点;S2利用判断点和极端点得出天线阵增益Gr的大小,并根据天线阵增益Gr与天线阵阵元个数n的对应关系计算式,得到阵元个数n;S3根据判断点与极端点的位置所确定的空间角度θ,利用天线阵椭圆计算式得到天线阵阵元间距d;S4在得到阵元个数n和阵元间距d的基础上,建立RFID陶瓷天线均匀直线阵。本发明能够较好的满足在用户确定天线作用区域,并已知RFID标签参数的条件下,得到天线阵增益Gr,天线阵阵元个数n,天线阵阵元间距d,以及各阵元的坐标位置,实现RFID陶瓷天线均匀直线阵的设计。
【专利说明】
一种电力工器具管理RF ID陶瓷天线均匀直线阵设计方法
技术领域
[0001]本发明涉及天线领域,尤其涉及RFID陶瓷天线均匀直线阵设计,具体涉及一种电 力工器具管理RFID陶瓷天线均匀直线阵设计方法。
【背景技术】
[0002] 电力生产中安全生产和供电可靠性十分重要。安全工器具的质量,将直接影响到 电力企业在生产过程中的人身和设备安全。电力工器具种类多样,数量大,分类管理维护好 设备对带电作业起到至关重要的作用。因电力工器具不断被使用,处于流动状态,以传统的 笔记纸录清查电力工器具,并对其进行定期质量检查或更换的方式,常常要花费大量的人 力物力和时间。为了对电力工器具做到信息化,高效率的安全管理,可将RFID射频识别技术 运用到电力工器具管理当中。RFID识别技术工作过程无需人工干预,可识别多个且高速运 动的标签,受工作环境影响较小,这种具有多种优点的无线识别技术已广泛运用于交通,物 流等领域。毋庸置疑,将RFID技术运用于电力工器具管理将有效提高管理效率。电力工器具 放置在变电站,供电运检部门的电力工器具房内。电力系统工作人员在借出归还安全工器 具时由于手持安全工器具的方式不同,标签通过天线作用区域时的位置,方向,速度等都不 同。不定的位置和不定的通过速度将大大增大识别效率难度。电力工器具房大小不一,从十 几平米到几十平米,根据电力部门工作需求的不同而不同。电力工器具管理是在室内,与室 外RFID识别不同,室内要求读写器天线体积不能太大,且要与目前的电力工器具房相结合, 不能对现有的工器具房进行很大改动。即读写器天线大小较目前现有的户外读写器相比, 体积需减小,更适用于室内环境。读写器天线的作用范围需合适,若读写器天线的作用范围 过大,则电力工器具标签因一直处于天线作用范围内而处于被识别状态,无法实现对电力 工器具进出的信息管理。因此理想的RFID读写器天线的识别范围仅仅在一定区域内在读写 器天线作用范围,而其他区域则不在读写器天线作用范围,在实现有效识别的同时,提高工 器具房面积利用率。目前的RFID识别技术的读写器天线多为单个天线或多个天线但分时馈 电。该方法能够满足对大区域内标签信息的读取,但不能满足在对区域有一定限制的小区 域中。

【发明内容】

[0003] 有鉴于此,本发明公开了一种电力工器具管理RFID陶瓷天线均匀直线阵设计方 法。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种电力工器具管理RFID陶瓷天线 均匀直线阵设计方法,包括以下步骤:
[0005] Sl根据电力系统工器具管理对天线作用区域的要求与限制,建立天线作用区域模 型,并以天线作用区域模型顶面中心为原点,建立球面坐标与直角坐标系XYZ,确定极端点 与判断点。
[0006] S2根据电磁波传播模型,利用判断点和极端点得出天线阵增益Gr的大小,并根据 天线阵增益Gr与天线阵阵元个数η的对应关系计算式,得到阵元个数η。
[0007] S3在得到天线阵增益Gr和天线阵阵元个数η的基础上,结合天线作用区域,根据判 断点与极端点的位置所确定的空间角度Θ,利用天线阵椭圆计算式得到天线阵阵元间距d;
[0008] S4在得到阵元个数η和阵元间距d的基础上,利用阵元坐标计算式,得到各阵元的 坐标位置,从而建立RFID陶瓷天线均匀直线阵。
[0009] 进一步,所述天线阵阵元圆极化陶瓷微带贴片天线,长违 宽违
其中U为天线有效长度,A 1为等效辐射缝隙的长度,c为真空中的 光速,fo为天线的工作频率,%为有效介电常数,^为介质的相对介电常数。在天线阵阵元圆 极化陶瓷微带贴片天线仿真中增加简并分离系数a与馈电因子系数b,提高仿真效率和仿真 效果。
[0010] 进一步,所述天线增益Gr为:
其中L表示天线作用区域 长度,W表示天线作用区域宽度、H表示天线作用区域高度,Pt表示标签最小激活灵敏度,Pr表 示天线发射功率,Gt表示RFID识别系统标签的增益。
[0011] 进一步,所述天线阵增益Gr与天线阵阵元个数η的对应关系计算式为:
[0012]
[0013]
[0014]
[0015]
[0016] 其中〇+1{,¥+1{,2+1{),(乂-1^- 1{,2-1{)分别为阵元在坐标系乂¥2中的坐标点,当阵元个数 η为奇数时,增加 (Xo,Yo,Zo)点。
[0017]进一步,所述天线阵椭圆计算式为:
[0018]
[0019] 其中η表示阵元个数,d表示阵元间距,Gr表示天线阵增益,Θ表示空间角度,Ik 2表 示拟合系数,α、β表示修正系数。
[0020] 进一步,所述 a = d-°.975,β = η-0.5
[0021] 进一步,所述 ki = 0.00552,k2 = 725。
[0022] 由于采用了以上技术方案,本发明具以下有益技术效果:
[0023] 本发明能够较好的满足在用户确定天线作用区域,并已知RFID标签参数的条件 下,得到天线阵增益Gr,天线阵阵元个数n,天线阵阵元间距d,以及各阵元的坐标位置,实现 RFID陶瓷天线均匀直线阵的设计。
【附图说明】
[0024]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进 一步的详细描述,其中:
[0025]图1为本发明的电力工器具管理RFID读写器天线作用区域模型;
[0026]图2为天线椭圆模型图;
[0027] 图3为本发明的均匀直线阵仿真二维增益方向图;
[0028] 图4为XZ, yz二维增益方向图中二『平面;
[0029] 图5为xz,yz二维增益方向图φ = 9〇'平面;
[0030]图6数据与函数对比图。
【具体实施方式】
[0031]以下将结合附图,对本发明的优选实施例进行详细的描述;应当理解,优选实施例 仅为了说明本发明,而不是为了限制本发明的保护范围。
[0032]本发明提供一种电力工器具管理RFID陶瓷天线均匀直线阵设计方法。该设计方法 是在于已知RFID识别系统标签的增益(Gt),最小激活灵敏度(Pt)等参数,读写器天线的发射 功率P r,读写器天线中心频率f (超高频段),天线作用区域(H,L,W)的条件下,得到天线阵增 益Gr大小,根据天线阵增益Gr与天线阵阵元个数η的对应关系计算式得出天线阵阵元个数η。 在得到天线阵增益G r和天线阵阵元个数η的基础上,结合天线作用区域,根据判断点与极端 点的位置所确定的空间角度Θ,利用天线阵椭圆计算式得到天线阵阵元间距d。在得到阵元 个数η和阵元间距d的基础上,利用阵元坐标计算式,得到各阵元的坐标位置,从而建立天线 均匀直线阵。
[0033] 本发明所述的设计方法步骤如下:
[0034] Sl根据电力系统工器具管理对天线作用区域的要求与限制,建立天线作用区域模 型,并以天线作用区域模型顶面中心为原点,建立球面坐标与直角坐标系XYZ,确立极端点 与判断点。参考图1,作为天线阵实际布局时的位置参考。
[0035] 在本发明中,天线阵包括多个天线阵阵元,天线阵阵元为圆极化陶瓷微带贴片天 线,因实现单个圆极化陶瓷微带贴片天线的仿真。根据公式计算辐射贴片的初始长度I,w。
[0036] 由介质基片参数,根据以下公式计算辐射贴片的初始尺寸:
[0037] 假设矩形微带贴片天线的有效长度U设为
[0038] le = Ag/2 (1)
[0039] Ag:导波波长
[0040]

[0041] λ〇:自由空间波长,有效介电常数
[0042]
(3):
[0043] er:介质的相对介电常数,h:介质层厚度,w:矩形微带贴片的宽度,
[0044] 矩形微带贴片的长度I:
[0045]

[0046] c:真空中的光速,fQ:天线的工作频率,Δ 1:等效辐射缝隙的长度
[0047]
(5)
[0048]矩形微带贴片的宽度w:
[0049]
C6)
[0050] 公式(1)~(6)计算所得的矩形微带贴片的长度1近似为谐振长度1。,采用增加简 并分离单元实现圆极化。圆极化陶瓷矩形微带贴片天线的仿真过程中增加简并分离系数a 与馈电因子系数b。简并分离系数a,即Delta = a*lc,简并分离系数a的初值范围为0.01~ 0.02。因单点馈电似方形贴片微带天线的50 Ω馈电点位于辐射贴片对角线上,增加馈电因 子系数b,即馈电点的位置11 = -b* I,12 = b*w。馈电因子系数b的初值设在0.11~0.15之间。 最终以辐射贴片谐振长度1。,简并分离系数a,馈电因子系数b为变量,添加 dB(S(l,l))(回 波损耗),dB(AxialRatio Value)(天线轴比)为目标函数进行优化。
[0051] S2根据电磁波传播模型,利用判断点和极端点得出天线阵增益Gr的大小,并根据 天线阵增益Gr与天线阵阵元个数η的对应关系计算式,得到阵元个数η;从理论上分析得到 直线阵阵元间距大小将会影响天线阵增益大小。
[0052] 自由空间Friss公式
[0053]
(7)
[0054] 假设芯片与天线阻抗匹配,则
[0055]
(8)
[0056] 天线增益与阵元方向图函数:
[0057]
(9)
[0058] η:天线的辐射效率,D (θ, φ):方向性系数
[0059]
(IO)
[0060] ?·(0,φ):阵列天线方向图函数
[0061 ]
(Π )
[0062] fe ( θ, φ):单兀因子;S (θ, φ):阵列因子
[0063]
(12)
[0064] In:电流矢量单元;Zn:表示各单元的空间位置
[0065] 因此天线阵的增益大小与阵元间距有关,可通过改变阵元间距大小来改变天线阵 增益。
[0066] 结合HFSS仿真,天线阵增益Gr与天线阵阵元个数η的对应关系计算式可表示为
[0067]
(13)
[0068] S3在得到天线阵增益Gr和天线阵阵元个数η的基础上,结合天线作用区域,根据判 断点与极端点的位置所确定的空间角度Θ,利用天线阵椭圆计算式得到天线阵阵元间距d。
[0069] 在均匀直线阵的仿真基础上,改变天线阵阵元个数η与阵元间距d大小,结合天线 作用区域所建模型,参见附图1,对仿真结果的二维增益方向图进行分析,参见附图3,得到 不同角度的不同增益。
[0070] 图1中,A点为判断点,B点为极端点。以判断点A能被识别作为天线区域能够全面覆 盖的标准,极端点B不能够被识别作为限制天线作用区域的标准。对 Xz,yz二维增益方向图 进行分析。xz,yz二维增益方向图分别是φ = 〇°和φ = 90°平面。φ = 〇:°平面,参见附图4。要 求其增益大于Gr的角度大于60°。中=90°平面,参见附图5。基于电力工器具的管理,需限制 天线读写区域在一定范围,标签不能被天线识别。本发明以天线所在处为原点建立直角坐 标系ΧΥΖ,参见附图UX 1 = O,Y1 = SLJ1 = H/^,即B点,以天线不能覆盖B点处作为限制条件。 即在:中=.9_0°平面,由判断点六确定的91 = &1'(^311(17!〇,在±91范围内,增益大于等于61^由 极端点B确定的0 2 = arctan(4L/H)处的增益小于Gr。以此作为天线完全覆盖所需读写区域的 判断标准。在±θι范围内,读取不同角度的增益大小。
[0071 ]在步骤S3的数据分析的基础上,得到天线阵元个数η改变,Q1 = 〇°对应的增益改 变。天线阵元个数η保持一定,改变天线间距d大小,相同增益大小所对应的角度改变。该曲 线的变化趋势与椭圆的变化趋势类似,如附图2所示。因此本发明近似天线阵增益大小与其 对应角度关系是椭圆函数。天线阵阵元个数与阵元间距与天线阵椭圆函数中的长轴和短轴 大小相关,其相关关系用相关系数ki,k 2表示。相关系数Iu,k2用步骤S3所得数据,使用 MATLAB编程拟合。
[0072] 函数表达式推导过程:根据仿真绘图效果,发现图形近似可用椭圆方程形式来描 述,
[0073] (14)
[0074] kl与k2是通过拟合来得到,Gr为天线阵增益,Θ为空间角度,n表示阵元个数,而d表 示天线阵阵元间距。分析可知当改变天线个数η的时候,椭圆对应表达式的η值改变,而且d 也会稍微改别,所以可以采用修正系数α、β对上述(14)进行修正,得到
[0075]
(15)
[0076] 根据天线个数增大,η增大,d稍微增大。同理改变间距时,对应d值增大,而η稍微增 大。通过仿真分析,修正系数可设置为〇 = (^·975, β = !^·5。
[0077] mat Iab拟合原理为最小二乘法,找到最优的椭圆曲线。最后拟合得kl = 0.00552,k2 =725,得到如下通用函数表达式为:
[0078]
(16)
[0079]当天线阵阵元个数分别取2,3,4,间距为100mm,测试的数据如表1。仿真数据与函 数表达式对比图如图6,*表示仿真数据,而曲线表示跟拟合得到函数绘出的曲线,图中表达 式为:
[0080] (17)
[0081] 通过绘图可知,仿真数据与拟合表达式的曲线十分吻合。从而验证了模型的合理 性与实用性。
[0082] 表1部分仿真数据
[0084]附图6为数据与函数的对比图,拟合效果较好。
[0085]因此,在已知天线阵增益Gr大小及空间角度Θ,可通过公式(16)计算天线阵所需阵 元间距d的大小。
[0086]在已知阵元间距d进行天线布置时,天线的位置相对于Y轴对称分布,坐标分别为 (x+k,γ+k,z+k),(X-k,Y-k,Z-k),当阵元个数η为奇数时,增加(Xo,Yo,Zo)点
[0089]以上所述仅为本发明的优选实施例,并不用于限制本发明,显然,本领域的技术人
[0087] (IS)
[0088] 员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的 这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些 改动和变型在内。
【主权项】
1. 一种电力工器具管理RFID陶瓷天线均匀直线阵设计方法,其特征在于:包括以下步 骤:S1根据电力系统工器具管理对天线作用区域的要求与限制,建立天线作用区域模型,并 以天线作用区域模型顶面中心为原点,建立球面坐标与直角坐标系XYZ,确定极端点与判断 点;S2根据电磁波传播模型,利用判断点和极端点得出天线阵增益G r的大小,并根据天线阵 增益Gr与天线阵阵元个数η的对应关系计算式,得到阵元个数η; S3在得到天线阵增益Gr和天线阵阵元个数η的基础上,结合天线作用区域,根据判断点 与极端点的位置所确定的空间角度Θ,利用天线阵椭圆计算式得到天线阵阵元间距d; S4在得到阵元个数η和阵元间距d的基础上,利用阵元坐标计算式,得到各阵元的坐标 位置,从而建立RFID陶瓷天线均匀直线阵。2. 根据权利要求1所述的电力工器具管理RFID陶瓷天线均匀直线阵设计方法,其特征 在于:天线阵阵元圆极化陶瓷微带贴片天线,,宽度w =,其中U为天线有效长度,A 1为等效辐射缝隙的长度,c为真空中的光速,f〇为 天线的工作频率,^为有效介电常数,^为介质的相对介电常数。3. 根据权利要求2所述的电力工器具管理RFID陶瓷天线均匀直线阵设计方法,其特征 在于:在天线阵阵元圆极化陶瓷微带贴片天线仿真中增加简并分离系数a与馈电因子系数 b〇4. 根据权利要求1所述的电力工器具管理RFID陶瓷天线均匀直线阵设计方法,其特征 在于:所述天线增益Gr为:,其中L表示天线作用区域长度,W 表示天线作用区域宽度、Η表示天线作用区域高度,Pt表示标签最小激活灵敏度,Pr表示天线 发射功率,Gt表示RFID识别系统标签的增益。5. 根据权利要求1所述的电力工器具管理RFID陶瓷天线均匀直线阵设计方法,其特征 在于:所述天线阵增益Gr与天线阵阵元个数η的对应关系计算式为:6. 根据权利要求1所述的电力工器具管理RFID陶瓷天线均匀直线阵设计方法,其特征 在于:所述阵元坐标计算式为:其中(X+k,Y+k,Z+k),(X-k,Y-k,Z-k)分别为阵元在坐标系XYZ中的坐标点,当阵元个数η为 奇数时,增加(Χ〇,Υ〇,Ζ〇)点。7. 根据权利要求1所述的电力工器具管理RFID陶瓷天线均匀直线阵设计方法,其特征 在于:所述天线阵椭圆计算式中,天线阵阵元个数n、天线阵增益G r、天线阵阵元间距d及空 间角度Θ具有以下关系:其中lu、1?表示拟合系数,α、β表示修正系数。8. 根据权利要求7所述的电力工器具管理RFID陶瓷天线均匀直线阵设计方法,其特征 在于:所述 a = d-°·975,β = η-°·5。9. 根据权利要求8所述的电力工器具管理RFID陶瓷天线均匀直线阵设计方法,其特征 在于:所述 ki = 0.00552,k2 = 725。
【文档编号】H01Q21/00GK106058489SQ201610477679
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】郭珂, 陈琳, 伍敏, 付张雨, 桂松
【申请人】重庆大学
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