本发明涉及一种uhf带限单谐振电小天线的射频功率获取和平衡方法,属于电子通信技术领域。
背景技术:
对于采用后向散射通信来的无源rfid系统、无线智能传感系统来说,承担射频功率获取的主要部件是散射体—天线。一般来说,对于这些应用场合,总是希望最大化天线获取射频功率中的吸收功率,但是,受能量守恒和系统因果性的约束,天线吸收和散射功率之间的平衡和控制自然受到广泛关注。考虑到后向散射通信系统更多采用谐振散射的方式,并且由于谐振方式需要引入较大的感抗抵消天线本身较大的容抗,从而使得天线带宽将变得更窄,辐射效率也将降低。
技术实现要素:
本发明所要解决的技术问题在于提供一种uhf带限单谐振电小天线的射频功率获取和平衡方法,分析天线带宽与谐振频率间的关系,为后向散射通信系统电小天线的设计和优化提供依据。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案如下:
uhf带限单谐振电小天线的射频功率获取和平衡方法,该方法包括以下步骤:
(1)构建天线散射模型:
a、散射矩阵模型:引入基于球面矢量波展开的单端口的天线散射矩阵:
式中,入射场和辐射场球面矢量波展开系数都是∞×1的矢量,即a=(a1,a2,…)t和b=(b1,b2,…)t,u和v分别是入射和发送信号;γ是反射系数,r是第n个元素为rn的1×∞的矩阵,t是第n个元素为tn的∞×1矩阵,s是∞×∞矩阵,第m行、第n列元素为sm×n,且s=i+2t,i是单位矩阵;
b、偶极子天线电路模型:偶极子天线对应的辐射电阻
反射系数表示为:
γ(ω)=(z(ω)-r0)/(z(ω)+r0)
(2)计算天线散射和吸收截面积:
偶极子天线的功率获取截面积、散射截面积用传输矩阵t对角元素t11(k)近似表示为:
式中,kn为s11(k)在正半平面中的零点,*表示共轭;
(3)计算带限天线散射和吸收功率:对于中心波长为λ0,波长间隔为λ=[λ1,λ2]的带限天线,吸收和散射效率则分别定义为:
式中,λ0=λ1+λ2/2;
(4)带限天线散射和吸收功率之间的平衡:
式中,
上述的uhf带限单谐振电小天线的射频功率获取和平衡方法,优选的,步骤(2)中,当k0a<<1时,忽略偶极子天线的高次模式,且d≈1.5;考虑最简单的情形,即只有单一零点k1,同时,考虑到σext(k)和σscat(k)的展开分别为σext(k)=o(k2)和σs(k)=o(k4),选择k1=j/(a-cr0c0),
前述的uhf带限单谐振电小天线的射频功率获取和平衡方法,优选的,步骤(1)中,考虑到偶极子天线一般具有单谐振结构,结合chu和collin提出的电小天线等效电路模型,在半径为a的tm波球面模式下,偶极子天线用rlc等效电路模型描述,在半径为a的tm波球面模式下,l=μ0a,c=ε0a,ω=kc0,
本发明有益效果:与现有技术相比,本发明基于经典的偶极子天线等效电路模型,应用天线散射理论,构建了一种带限单谐振电小天线散射等效电路模型,分析了天线带宽与谐振频率间的关系,给出了带限单谐振天线吸收、散射截面积与频率之间的关系,研究了吸收功率与其最大值之比、散射功率与其最大值之比、吸收功率与散射功率之比、吸收功率与获取功率之比与谐振频率之间的关系,为后向散射通信系统电小天线的设计和优化提供依据。本方法可以推广到应用无线传感网络的其它领域,包括航空、航天、环境监测、现代农业等。
附图说明
图1是本发明的散射矩阵模型示意图;
图2是本发明的rlc等效电路模型示意图;
图3是本发明的吸收效率与谐振频率之间关系示意图;
图4是本发明的散射效率与谐振频率之间关系示意图;
图5是
图6是
图7是
图8是
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
实施例1:包括以下步骤:
1.1构建天线散射模型
(1)散射矩阵模型
引入基于球面矢量波展开的单端口的天线散射矩阵:
式中,入射场和辐射场球面矢量波展开系数都是∞×1的矢量,即a=(a1,a2,…)t和b=(b1,b2,…)t,u和v分别是入射和发送信号;γ是反射系数,r是第n个元素为rn的1×∞的矩阵,t是第n个元素为tn的∞×1矩阵,而s是∞×∞矩阵,第m行、第n列元素为sm×n,,且s=i+2t[21],i是单位矩阵,如图1所示。
(2)偶极子天线电路模型
考虑到偶极子天线一般具有单谐振结构,结合chu和collin提出的电小天线等效电路模型,在半径为a的tm波球面模式下,偶极子天线可用图2所示的rlc等效电路模型描述。
在半径为a的tm波球面模式下,l=μ0a,c=ε0a,ω=kc0,
在这个等效电路模型下,偶极子天线对应的辐射电阻
反射系数则可表示为:
γ(ω)=(z(ω)-r0)/(z(ω)+r0)(3)
1.2天线散射和吸收截面积
当k0a<<1时,可以忽略偶极子天线的高次模式,且d≈1.5。这样,偶极子天线的功率获取截面积、散射截面积可用传输矩阵t对角元素t11(k)近似表示为:
式中,t11(k)是传输矩阵t的对角元素。
考虑到s=i+2t,可先确定s11(k)。由|γ|=|s11|知,可通过反射系数确定s11(k),但由于反射系数与s11(k)幅度一样,它们之间只相差一个单位幅度的函数,因此,可采用半平面中解析函数的blaschke乘积表示s11(k),即:
式中,kn为s11(k)在正半平面中的零点,*表示共轭。
为便于分析,考虑最简单的情形,即只有单一零点k1。同时,考虑到σext(k)和σscat(k)的展开分别为σext(k)=o(k2)和σs(k)=o(k4),结合式(4),可以选择k1=j/(a-cr0c0),从而s11(k)可近似为:
1.3带限天线散射和吸收功率
对于中心波长为λ0,波长间隔为λ=[λ1,λ2]的带限天线,吸收和散射效率则可分别定义为:
式中,λ0=λ1+λ2/2
由前述电小天线谐振频率与最大带宽的关系,在500-1200mhz谐振频率范围,当a分别为3/60π米、3/50π米,带限天线带宽分别设为200khz、400khz时,
为研究带限谐振天线吸收和散射功率之间的平衡关系,由前述偶极子天线电路模型,给定谐振频率范围wfo和天线带宽范围内,可分别定义如下四个参数,即吸收功率与其最大值之比
与前述参数一样,天线谐振频率范围设为500-1200mhz,天线带宽分别设为200khz、400khz,
吸收功率与散射功率之比