CN107958107A - Uhf带限单谐振电小天线的射频功率获取和平衡方法 - Google Patents
Uhf带限单谐振电小天线的射频功率获取和平衡方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种UHF带限单谐振电小天线的射频功率获取和平衡方法，包括以下步骤：构建天线散射模型、计算天线散射和吸收截面积、计算带限天线散射和吸收功率、带限天线散射和吸收功率之间的平衡。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，为后向散射通信系统电小天线的设计和优化提供依据。
Description
技术领域
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。
发明内容
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包括散射电阻Rscat和吸收电阻Re[Z]，其中，波阻抗η0＝R1，天线输入阻抗为：
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，为吸收功率与其最大值之比，为散射功率与其最大值之比，为吸收功率与散射功率之比，为吸收功率与获取功率之比。
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，其中，ε0、μ0、c0和η0分别是自由空间中介电常数、磁导率、光速和波阻抗。
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是与谐振频率之间关系示意图；
图6是与谐振频率之间关系示意图；
图7是与谐振频率之间关系示意图；
图8是与谐振频率之间关系示意图；
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，其中，ε0、μ0、c0和η0分别是自由空间中介电常数、磁导率、光速和波阻抗。
在这个等效电路模型下，偶极子天线对应的辐射电阻包括散射电阻Rscat和吸收电阻Re[Z]。其中，波阻抗η0＝R1。而天线输入阻抗为：
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，和与谐振频率的关系分别如图3和4所示。1.4带限天线散射和吸收功率之间的平衡
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可分别表示为：
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，与谐振频率之间的关系如图5和6所示。从图5和图6可见，天线带宽对和几乎没有影响，而随谐振频率增加，这两个比值减少。究其原因则是，谐振频率越小，波数倒数值越大，使得这两个比值随频率增加而减少。
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则如图7和8所示。从图7和8看，与随谐振频率增加和带宽增加而减少，总体趋近于1，而则趋近于0.5，与截面积的变化趋势一致。
Claims (3)
1.UHF带限单谐振电小天线的射频功率获取和平衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建天线散射模型：
a、散射矩阵模型：基于球面矢量波展开的单端口的天线散射矩阵：
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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包括散射电阻Rscat和吸收电阻Re[Z]，其中，波阻抗η0＝R1，天线输入阻抗为：
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反射系数为：
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：
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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，吸收和散射效率分别定义为：
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式中，λ0＝λ1+λ2/2；
(4)带限天线散射和吸收功率之间的平衡：
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式中，为吸收功率与其最大值之比，为散射功率与其最大值之比，为吸收功率与散射功率之比，为吸收功率与获取功率之比。
2.根据权利要求1所述的UHF带限单谐振电小天线的射频功率获取和平衡方法，其特征在于：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)，
3.根据权利要求1所述的UHF带限单谐振电小天线的射频功率获取和平衡方法，其特征在于：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，其中，ε0、μ0、c0和η0分别是自由空间中介电常数、磁导率、光速和波阻抗。
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