自由空间中超高频射频识别系统电波传播仿真方法

摘要

一种自由空间中超高频射频识别系统电波传播的仿真方法，属于无线通信技术领域。步骤为：通过实测确定阅读器天线和电子标签天线的方向图函数，形成阅读器天线和电子标签天线的方向图函数的数据文件；确定阅读器天线和电子标签天线的极化种类，确定极化衰落因子γ；建立坐标系表征电子标签和阅读器天线的相对位置和相对角度；结合前三个步骤的结果分析从阅读器到电子标签的信号功率衰减，建立仿真表达式，利用MATLAB进行计算。本发明能有效地体现阅读器和电子标签的相对位置与相对角度，天线的极化种类和天线的方向图函数等因素对电波特性及系统工作特性的影响，同时保证了相当高的计算效率，易于在微型计算机上进行仿真分析。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术领域的仿真方法，具体的是一种自由空间中超高频射频识别系统电波传播的仿真方法。

背景技术

无线射频识别技术(RFID)是一种非接触式的自动识别技术，近年来得到了迅速发展。计算机仿真是研究射频识别系统电波传播特性的重要手段。在实际运用中，需要根据射频识别系统的工作原理，使用合适的仿真方法对实际系统的工作特性进行计算机仿真。一种简单易行、又能体现各种实际情况下系统工作特征的仿真方法是非常重要的。

经对现有技术文献的检索发现，Klaus Finkenzeller等在<RFID Handbook>(射频识别系统手册，2003年出版)一书中<Chapter 4 Physical Principles of RFIDSystem>(射频识别系统物理层，61页至161页)提出基于结合反向散射原理自由空间中单阅读器和电子标签系统的仿真方法。然而在该方法中电子标签和阅读器者均处于相对固定的位置，无法根据实际应用环境作调整；同时该方法缺少对天线极化因素的考虑，而在实际应用中，天线的极化因素对系统的工作状态有很大影响。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种自由空间中超高频射频识别系统电波传播仿真方法，使其在现有技术的基础上，能有效地体现阅读器和电子标签的相对位置和相对角度，天线的极化种类和天线的方向图函数等特性对系统工作状态的影响，同时保证了相当高的计算效率。这是传统的射频识别系统仿真方法无法达到的。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步：采用现有技术(如通过实测)确定阅读器天线和电子标签天线的方向图函数，形成阅读器天线和电子标签天线的方向图函数的数据文件。

在实际仿真系统确定的情况下，通过实测的方法确定系统中的阅读器天线和电子标签天线的方向图函数，即确定G_reader(θ，)和G_tag(θ，)。其中，G_reader(θ，)为阅读器天线的方向图函数，G_tag(θ，)为电子标签天线的方向图函数。

第二步：采用现有技术(如通过实际系统的技术手册或者实测)确定阅读器天线和电子标签天线的极化种类，通过分析两者极化种类间关系，确定极化衰落因子γ。

在实际仿真系统中，确定阅读器天线和电子标签天线极化方向对于信号衰减的影响。阅读器天线和电子标签天线可能为线极化、圆极化或椭圆极化。发射天线的极化方向和接收天线的极化方向对于两者间的信号衰减影响很大。当两个线极化天线极化方向相同，两者间信号功率衰减最小；相反，当极化方向为90°或270°时，两者间的信号功率衰减最大。圆极化或椭圆极化分解成线极化进行分析。极化方向相互垂直的两个天线，两者之间由于极化造成的信号功率衰减为20dB，γ＝0.01。一个线极化天线和另一个圆极化天线，两者之间由于极化造成的信号功率衰减量为3dB，γ＝0.5。

第三步，建立坐标系，表征电子标签和阅读器天线的相对位置和相对角度。

为了在仿真中体现电子标签和阅读器天线的相对位置和相对角度，需要分别建立直角坐标系和球面坐标系。为了减少计算量和参量个数，按如下方法建立坐标系：以阅读器天线(半波振子)的中心点为原点，轴线为Z轴建立坐标系，用五个参数(x，y，z，θ，φ)来表征电子标签天线的位置和方向。

第四步，根据反向散射原理，结合前三个步骤的结果分析从阅读器到电子标签的信号功率衰减，建立计算电子标签的接收信号功率的表达式，通过计算电子标签的接收信号功率，得到实际系统中阅读器和电子标签处于不同位置和不同角度下电子标签的接收信号功率，仿真实际系统的工作状态。

根据射频识别系统的工作原理，对于前向链路，电子标签天线的输入阻抗和负载阻抗完全匹配，建立电子标签的接收信号功率的表达式：

式中，P_tag为电子标签的接收信号功率，实际系统中，这一功率必须大于一定的门限值电子标签才进入工作状态，系统才能正常工作。所以这一功率决定了电子标签的工作状态，也即系统的工作状态。γ为由第二步确定的极化衰落因子，R为电子标签天线和阅读器天线中心点距离，λ为系统工作波长。θ₁，₁和θ₂，₂分别为阅读器和电子标签天线的角度参量。P_PA为阅读器天线输入功率。

本发明与现有技术相比的显著效果在于：阅读器和电子标签的相对位置和相对角度，天线的极化种类和天线的方向图函数均作为参量出现在由该方法得出的表达式中，所以该发明适用范围比现有技术更广，同时该发明简单易行，在获得阅读器和电子标签天线方向图函数的数据文件后，可以很容易地用MATLAB实现计算机仿真。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下通过利用MATLAB仿真工具对本发明进行仿真的实施例作详细说明。仿真环境为自由空间中的单一阅读器和电子标签组成的工作频率在900MHz的超高频射频识别系统。其中阅读器和电子标签天线均采用半波振子天线，阅读器天线发射功率100mW。同时以阅读器天线(半波振子)的中心点为原点，轴线为Z轴建立坐标系。用五个参数(x，y，z，θ，φ)来表征电子标签天线的位置和方向。在该实施例下电波传播表达式如下式：

$>>>P>tag>>=>>1>2>>>>>P>PA>>·>>>\lambda >0>>2>>>>>>(>4>\pi >)>>2>>>(>>x>2>>+>>y>2>>+>>z>2>>)>>>>·>>>>cos>2>>>(>>\pi >2>>cos>>\theta >1>>)>>>cos>2>>>(>>\pi >2>>cos>>\theta >2>>)>>>>>sin>2>>>\theta >1>>>sin>2>>>\theta >2>>>>·>2.7>>>$

其中： $>>>\theta >1>>=>>tg>>->1>>>\sqrt{>>x>2>>+>>y>2>}>z>>>>$

首先考察阅读器与电子标签间距离与信号功率衰减的定性关系。仿真中，令x可变，θ＝0，考察x与P_tag的变化关系。确定不同的y，z，仿真两组数据，第一组(y＝2.5m，z＝2.5m)，见图1。第二组(y＝1.5m，z＝1.5m)，见图2。对仿真结果进行分析表明，P_tag随着x的变化而迅速减小，即信号衰减随着距离的增大而迅速增大。这一结论与射频识别系统实际场景相吻合。

再考察角度关系和信号衰减的定性关系。仿真中，令θ可变，考察θ与P_tag间的关系。其中θ的变化范围为-0.5π至0.5π。确定不同的x，y，z，仿真三组数据，结果如图3所示。从三条曲线峰值对应的角度值看出当电子标签轴向与阅读器和电子标签连线方向垂直时电子标签接收到的功率最大，信号衰减最小。这一结论与射频识别系统实际场景相吻合。

从本实施例中可以看出：按照本实施例获取的仿真结果可以有效地用于射频识别系统工作状态分析。