一種電力工器具管理rfid陶瓷天線均勻直線陣設計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電力工器具管理RFID陶瓷天線均勻直線陣設計方法，包括S1建立天線作用區(qū)域模型，建立球面坐標與直角坐標系XYZ，確定極端點與判斷點；S2利用判斷點和極端點得出天線陣增益Gr的大小，并根據(jù)天線陣增益Gr與天線陣陣元個數(shù)n的對應關系計算式，得到陣元個數(shù)n；S3根據(jù)判斷點與極端點的位置所確定的空間角度θ，利用天線陣橢圓計算式得到天線陣陣元間距d；S4在得到陣元個數(shù)n和陣元間距d的基礎上，建立RFID陶瓷天線均勻直線陣。本發(fā)明能夠較好的滿足在用戶確定天線作用區(qū)域，并已知RFID標簽參數(shù)的條件下，得到天線陣增益Gr，天線陣陣元個數(shù)n，天線陣陣元間距d，以及各陣元的坐標位置，實現(xiàn)RFID陶瓷天線均勻直線陣的設計。
【專利說明】
一種電力工器具管理RF ID陶瓷天線均勻直線陣設計方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及天線領域，尤其涉及RFID陶瓷天線均勻直線陣設計，具體涉及一種電 力工器具管理RFID陶瓷天線均勻直線陣設計方法。
【背景技術】
[0002] 電力生產中安全生產和供電可靠性十分重要。安全工器具的質量，將直接影響到 電力企業(yè)在生產過程中的人身和設備安全。電力工器具種類多樣，數(shù)量大，分類管理維護好 設備對帶電作業(yè)起到至關重要的作用。因電力工器具不斷被使用，處于流動狀態(tài)，以傳統(tǒng)的 筆記紙錄清查電力工器具，并對其進行定期質量檢查或更換的方式，常常要花費大量的人 力物力和時間。為了對電力工器具做到信息化，高效率的安全管理，可將RFID射頻識別技術 運用到電力工器具管理當中。RFID識別技術工作過程無需人工干預，可識別多個且高速運 動的標簽，受工作環(huán)境影響較小，這種具有多種優(yōu)點的無線識別技術已廣泛運用于交通，物 流等領域。毋庸置疑，將RFID技術運用于電力工器具管理將有效提高管理效率。電力工器具 放置在變電站，供電運檢部門的電力工器具房內。電力系統(tǒng)工作人員在借出歸還安全工器 具時由于手持安全工器具的方式不同，標簽通過天線作用區(qū)域時的位置，方向，速度等都不 同。不定的位置和不定的通過速度將大大增大識別效率難度。電力工器具房大小不一，從十 幾平米到幾十平米，根據(jù)電力部門工作需求的不同而不同。電力工器具管理是在室內，與室 外RFID識別不同，室內要求讀寫器天線體積不能太大，且要與目前的電力工器具房相結合， 不能對現(xiàn)有的工器具房進行很大改動。即讀寫器天線大小較目前現(xiàn)有的戶外讀寫器相比， 體積需減小，更適用于室內環(huán)境。讀寫器天線的作用范圍需合適，若讀寫器天線的作用范圍 過大，則電力工器具標簽因一直處于天線作用范圍內而處于被識別狀態(tài)，無法實現(xiàn)對電力 工器具進出的信息管理。因此理想的RFID讀寫器天線的識別范圍僅僅在一定區(qū)域內在讀寫 器天線作用范圍，而其他區(qū)域則不在讀寫器天線作用范圍，在實現(xiàn)有效識別的同時，提高工 器具房面積利用率。目前的RFID識別技術的讀寫器天線多為單個天線或多個天線但分時饋 電。該方法能夠滿足對大區(qū)域內標簽信息的讀取，但不能滿足在對區(qū)域有一定限制的小區(qū) 域中。

【發(fā)明內容】

[0003] 有鑒于此，本發(fā)明公開了一種電力工器具管理RFID陶瓷天線均勻直線陣設計方 法。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：一種電力工器具管理RFID陶瓷天線 均勻直線陣設計方法，包括以下步驟：
[0005] Sl根據(jù)電力系統(tǒng)工器具管理對天線作用區(qū)域的要求與限制，建立天線作用區(qū)域模 型，并以天線作用區(qū)域模型頂面中心為原點，建立球面坐標與直角坐標系XYZ，確定極端點 與判斷點。
[0006] S2根據(jù)電磁波傳播模型，利用判斷點和極端點得出天線陣增益Gr的大小，并根據(jù) 天線陣增益Gr與天線陣陣元個數(shù)η的對應關系計算式，得到陣元個數(shù)η。
[0007] S3在得到天線陣增益Gr和天線陣陣元個數(shù)η的基礎上，結合天線作用區(qū)域，根據(jù)判 斷點與極端點的位置所確定的空間角度Θ，利用天線陣橢圓計算式得到天線陣陣元間距d;
[0008] S4在得到陣元個數(shù)η和陣元間距d的基礎上，利用陣元坐標計算式，得到各陣元的 坐標位置，從而建立RFID陶瓷天線均勻直線陣。
[0009] 進一步，所述天線陣陣元圓極化陶瓷微帶貼片天線，長違 寬違
其中U為天線有效長度，A 1為等效輻射縫隙的長度，c為真空中的 光速，fo為天線的工作頻率，％為有效介電常數(shù)，^為介質的相對介電常數(shù)。在天線陣陣元圓 極化陶瓷微帶貼片天線仿真中增加簡并分離系數(shù)a與饋電因子系數(shù)b，提高仿真效率和仿真 效果。
[0010] 進一步，所述天線增益Gr為：
其中L表示天線作用區(qū)域 長度，W表示天線作用區(qū)域寬度、H表示天線作用區(qū)域高度，Pt表示標簽最小激活靈敏度，Pr表 示天線發(fā)射功率，Gt表示RFID識別系統(tǒng)標簽的增益。
[0011] 進一步，所述天線陣增益Gr與天線陣陣元個數(shù)η的對應關系計算式為：
[0012]
[0013]
[0014]
[0015]
[0016] 其中〇+1{，￥+1{，2+1{)，（乂-1^- 1{，2-1{)分別為陣元在坐標系乂￥2中的坐標點，當陣元個數(shù) η為奇數(shù)時，增加 (Xo，Yo，Zo)點。
[0017]進一步，所述天線陣橢圓計算式為：
[0018]
[0019] 其中η表示陣元個數(shù)，d表示陣元間距，Gr表示天線陣增益，Θ表示空間角度，Ik 2表 示擬合系數(shù)，α、β表示修正系數(shù)。
[0020] 進一步，所述 a = d-°.975，β = η-0.5
[0021] 進一步，所述 ki = 0.00552，k2 = 725。
[0022] 由于采用了以上技術方案，本發(fā)明具以下有益技術效果：
[0023] 本發(fā)明能夠較好的滿足在用戶確定天線作用區(qū)域，并已知RFID標簽參數(shù)的條件 下，得到天線陣增益Gr，天線陣陣元個數(shù)n，天線陣陣元間距d，以及各陣元的坐標位置，實現(xiàn) RFID陶瓷天線均勻直線陣的設計。
【附圖說明】
[0024]為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明作進 一步的詳細描述，其中：
[0025]圖1為本發(fā)明的電力工器具管理RFID讀寫器天線作用區(qū)域模型；
[0026]圖2為天線橢圓模型圖；
[0027] 圖3為本發(fā)明的均勻直線陣仿真二維增益方向圖；
[0028] 圖4為XZ, yz二維增益方向圖中二『平面；
[0029] 圖5為xz，yz二維增益方向圖φ = 9〇'平面；
[0030]圖6數(shù)據(jù)與函數(shù)對比圖。
【具體實施方式】
[0031]以下將結合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述;應當理解，優(yōu)選實施例 僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。
[0032]本發(fā)明提供一種電力工器具管理RFID陶瓷天線均勻直線陣設計方法。該設計方法 是在于已知RFID識別系統(tǒng)標簽的增益(Gt)，最小激活靈敏度(Pt)等參數(shù)，讀寫器天線的發(fā)射 功率P r，讀寫器天線中心頻率f (超高頻段），天線作用區(qū)域(H，L，W)的條件下，得到天線陣增 益Gr大小，根據(jù)天線陣增益Gr與天線陣陣元個數(shù)η的對應關系計算式得出天線陣陣元個數(shù)η。 在得到天線陣增益G r和天線陣陣元個數(shù)η的基礎上，結合天線作用區(qū)域，根據(jù)判斷點與極端 點的位置所確定的空間角度Θ，利用天線陣橢圓計算式得到天線陣陣元間距d。在得到陣元 個數(shù)η和陣元間距d的基礎上，利用陣元坐標計算式，得到各陣元的坐標位置，從而建立天線 均勻直線陣。
[0033] 本發(fā)明所述的設計方法步驟如下：
[0034] Sl根據(jù)電力系統(tǒng)工器具管理對天線作用區(qū)域的要求與限制，建立天線作用區(qū)域模 型，并以天線作用區(qū)域模型頂面中心為原點，建立球面坐標與直角坐標系XYZ，確立極端點 與判斷點。參考圖1，作為天線陣實際布局時的位置參考。
[0035] 在本發(fā)明中，天線陣包括多個天線陣陣元，天線陣陣元為圓極化陶瓷微帶貼片天 線，因實現(xiàn)單個圓極化陶瓷微帶貼片天線的仿真。根據(jù)公式計算輻射貼片的初始長度I，w。
[0036] 由介質基片參數(shù)，根據(jù)以下公式計算輻射貼片的初始尺寸：
[0037] 假設矩形微帶貼片天線的有效長度U設為
[0038] le = Ag/2 (1)
[0039] Ag:導波波長
[0040]
⑵
[0041] λ〇:自由空間波長，有效介電常數(shù)
[0042]
(3)：
[0043] er:介質的相對介電常數(shù)，h:介質層厚度，w:矩形微帶貼片的寬度，
[0044] 矩形微帶貼片的長度I:
[0045]
⑷
[0046] c:真空中的光速，fQ:天線的工作頻率，Δ 1:等效輻射縫隙的長度
[0047]
(5)
[0048]矩形微帶貼片的寬度w:
[0049]
C6)
[0050] 公式（1)~（6)計算所得的矩形微帶貼片的長度1近似為諧振長度1。，采用增加簡 并分離單元實現(xiàn)圓極化。圓極化陶瓷矩形微帶貼片天線的仿真過程中增加簡并分離系數(shù)a 與饋電因子系數(shù)b。簡并分離系數(shù)a，即Delta = a*lc，簡并分離系數(shù)a的初值范圍為0.01~ 0.02。因單點饋電似方形貼片微帶天線的50 Ω饋電點位于輻射貼片對角線上，增加饋電因 子系數(shù)b，即饋電點的位置11 = -b* I，12 = b*w。饋電因子系數(shù)b的初值設在0.11~0.15之間。 最終以輻射貼片諧振長度1。，簡并分離系數(shù)a，饋電因子系數(shù)b為變量，添加 dB(S(l，l))(回 波損耗），dB(AxialRatio Value)(天線軸比）為目標函數(shù)進行優(yōu)化。
[0051] S2根據(jù)電磁波傳播模型，利用判斷點和極端點得出天線陣增益Gr的大小，并根據(jù) 天線陣增益Gr與天線陣陣元個數(shù)η的對應關系計算式，得到陣元個數(shù)η;從理論上分析得到 直線陣陣元間距大小將會影響天線陣增益大小。
[0052] 自由空間Friss公式
[0053]
(7)
[0054] 假設芯片與天線阻抗匹配，則
[0055]
(8)
[0056] 天線增益與陣元方向圖函數(shù)：
[0057]
(9)
[0058] η:天線的輻射效率，D (θ, φ):方向性系數(shù)
[0059]
(IO)
[0060] ?·(0,φ):陣列天線方向圖函數(shù)
[0061 ]
(Π )
[0062] fe ( θ, φ):單兀因子；S (θ, φ):陣列因子
[0063]
(12)
[0064] In:電流矢量單元;Zn:表示各單元的空間位置
[0065] 因此天線陣的增益大小與陣元間距有關，可通過改變陣元間距大小來改變天線陣 增益。
[0066] 結合HFSS仿真，天線陣增益Gr與天線陣陣元個數(shù)η的對應關系計算式可表示為
[0067]
(13)
[0068] S3在得到天線陣增益Gr和天線陣陣元個數(shù)η的基礎上，結合天線作用區(qū)域，根據(jù)判 斷點與極端點的位置所確定的空間角度Θ，利用天線陣橢圓計算式得到天線陣陣元間距d。
[0069] 在均勻直線陣的仿真基礎上，改變天線陣陣元個數(shù)η與陣元間距d大小，結合天線 作用區(qū)域所建模型，參見附圖1，對仿真結果的二維增益方向圖進行分析，參見附圖3,得到 不同角度的不同增益。
[0070] 圖1中，A點為判斷點，B點為極端點。以判斷點A能被識別作為天線區(qū)域能夠全面覆 蓋的標準，極端點B不能夠被識別作為限制天線作用區(qū)域的標準。對 Xz，yz二維增益方向圖 進行分析。xz，yz二維增益方向圖分別是φ = 〇°和φ = 90°平面。φ = 〇:°平面，參見附圖4。要 求其增益大于Gr的角度大于60°。中=90°平面，參見附圖5?；陔娏て骶叩墓芾恚柘拗?天線讀寫區(qū)域在一定范圍，標簽不能被天線識別。本發(fā)明以天線所在處為原點建立直角坐 標系ΧΥΖ，參見附圖UX 1 = O,Y1 = SLJ1 = H/^,即B點，以天線不能覆蓋B點處作為限制條件。 即在:中=.9_0°平面，由判斷點六確定的91 = &1'(^311(17!〇，在±91范圍內，增益大于等于61^由 極端點B確定的0 2 = arctan(4L/H)處的增益小于Gr。以此作為天線完全覆蓋所需讀寫區(qū)域的 判斷標準。在±θι范圍內，讀取不同角度的增益大小。
[0071 ]在步驟S3的數(shù)據(jù)分析的基礎上，得到天線陣元個數(shù)η改變，Q1 = 〇°對應的增益改 變。天線陣元個數(shù)η保持一定，改變天線間距d大小，相同增益大小所對應的角度改變。該曲 線的變化趨勢與橢圓的變化趨勢類似，如附圖2所示。因此本發(fā)明近似天線陣增益大小與其 對應角度關系是橢圓函數(shù)。天線陣陣元個數(shù)與陣元間距與天線陣橢圓函數(shù)中的長軸和短軸 大小相關，其相關關系用相關系數(shù)ki，k 2表示。相關系數(shù)Iu，k2用步驟S3所得數(shù)據(jù)，使用 MATLAB編程擬合。
[0072] 函數(shù)表達式推導過程:根據(jù)仿真繪圖效果，發(fā)現(xiàn)圖形近似可用橢圓方程形式來描 述，
[0073] (14)
[0074] kl與k2是通過擬合來得到，Gr為天線陣增益，Θ為空間角度，n表示陣元個數(shù)，而d表 示天線陣陣元間距。分析可知當改變天線個數(shù)η的時候，橢圓對應表達式的η值改變，而且d 也會稍微改別，所以可以采用修正系數(shù)α、β對上述(14)進行修正，得到
[0075]
(15)
[0076] 根據(jù)天線個數(shù)增大，η增大，d稍微增大。同理改變間距時，對應d值增大，而η稍微增 大。通過仿真分析，修正系數(shù)可設置為〇 = (^·975, β = !^·5。
[0077] mat Iab擬合原理為最小二乘法，找到最優(yōu)的橢圓曲線。最后擬合得kl = 0.00552，k2 =725，得到如下通用函數(shù)表達式為：
[0078]
(16)
[0079]當天線陣陣元個數(shù)分別取2,3，4,間距為100mm，測試的數(shù)據(jù)如表1。仿真數(shù)據(jù)與函 數(shù)表達式對比圖如圖6，*表示仿真數(shù)據(jù)，而曲線表示跟擬合得到函數(shù)繪出的曲線，圖中表達 式為：
[0080] (17)
[0081] 通過繪圖可知，仿真數(shù)據(jù)與擬合表達式的曲線十分吻合。從而驗證了模型的合理 性與實用性。
[0082] 表1部分仿真數(shù)據(jù)
[0084]附圖6為數(shù)據(jù)與函數(shù)的對比圖，擬合效果較好。
[0085]因此，在已知天線陣增益Gr大小及空間角度Θ，可通過公式（16)計算天線陣所需陣 元間距d的大小。
[0086]在已知陣元間距d進行天線布置時，天線的位置相對于Y軸對稱分布，坐標分別為 (x+k，γ+k，z+k)，（X-k，Y-k，Z-k)，當陣元個數(shù)η為奇數(shù)時，增加(Xo，Yo，Zo)點
[0089]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領域的技術人
[0087] (IS)
[0088] 員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的 這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發(fā)明也意圖包含這些 改動和變型在內。
【主權項】
1. 一種電力工器具管理RFID陶瓷天線均勻直線陣設計方法，其特征在于：包括以下步 驟:S1根據(jù)電力系統(tǒng)工器具管理對天線作用區(qū)域的要求與限制，建立天線作用區(qū)域模型，并 以天線作用區(qū)域模型頂面中心為原點，建立球面坐標與直角坐標系XYZ，確定極端點與判斷 點；S2根據(jù)電磁波傳播模型，利用判斷點和極端點得出天線陣增益G r的大小，并根據(jù)天線陣 增益Gr與天線陣陣元個數(shù)η的對應關系計算式，得到陣元個數(shù)η; S3在得到天線陣增益Gr和天線陣陣元個數(shù)η的基礎上，結合天線作用區(qū)域，根據(jù)判斷點 與極端點的位置所確定的空間角度Θ，利用天線陣橢圓計算式得到天線陣陣元間距d; S4在得到陣元個數(shù)η和陣元間距d的基礎上，利用陣元坐標計算式，得到各陣元的坐標 位置，從而建立RFID陶瓷天線均勻直線陣。2. 根據(jù)權利要求1所述的電力工器具管理RFID陶瓷天線均勻直線陣設計方法，其特征 在于:天線陣陣元圓極化陶瓷微帶貼片天線，，寬度w =，其中U為天線有效長度，A 1為等效輻射縫隙的長度，c為真空中的光速，f〇為 天線的工作頻率，^為有效介電常數(shù)，^為介質的相對介電常數(shù)。3. 根據(jù)權利要求2所述的電力工器具管理RFID陶瓷天線均勻直線陣設計方法，其特征 在于:在天線陣陣元圓極化陶瓷微帶貼片天線仿真中增加簡并分離系數(shù)a與饋電因子系數(shù) b〇4. 根據(jù)權利要求1所述的電力工器具管理RFID陶瓷天線均勻直線陣設計方法，其特征 在于:所述天線增益Gr為：，其中L表示天線作用區(qū)域長度，W 表示天線作用區(qū)域寬度、Η表示天線作用區(qū)域高度，Pt表示標簽最小激活靈敏度，Pr表示天線 發(fā)射功率，Gt表示RFID識別系統(tǒng)標簽的增益。5. 根據(jù)權利要求1所述的電力工器具管理RFID陶瓷天線均勻直線陣設計方法，其特征 在于:所述天線陣增益Gr與天線陣陣元個數(shù)η的對應關系計算式為：6. 根據(jù)權利要求1所述的電力工器具管理RFID陶瓷天線均勻直線陣設計方法，其特征 在于:所述陣元坐標計算式為：其中（X+k，Y+k，Z+k)，（X-k，Y-k，Z-k)分別為陣元在坐標系XYZ中的坐標點，當陣元個數(shù)η為 奇數(shù)時，增加(Χ〇，Υ〇，Ζ〇)點。7. 根據(jù)權利要求1所述的電力工器具管理RFID陶瓷天線均勻直線陣設計方法，其特征 在于:所述天線陣橢圓計算式中，天線陣陣元個數(shù)n、天線陣增益G r、天線陣陣元間距d及空 間角度Θ具有以下關系：其中l(wèi)u、1?表示擬合系數(shù)，α、β表示修正系數(shù)。8. 根據(jù)權利要求7所述的電力工器具管理RFID陶瓷天線均勻直線陣設計方法，其特征 在于：所述 a = d-°·975，β = η-°·5。9. 根據(jù)權利要求8所述的電力工器具管理RFID陶瓷天線均勻直線陣設計方法，其特征 在于:所述 ki = 0.00552，k2 = 725。
【文檔編號】H01Q21/00GK106058489SQ201610477679
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】郭珂, 陳琳, 伍敏, 付張雨, 桂松
【申請人】重慶大學