CN101667243B

CN101667243B - 仿真装置以及仿真方法

Info

Publication number: CN101667243B
Application number: CN200910170506.6A
Authority: CN
Inventors: 原敦雄; 山城尚志
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2029-09-04
Also published as: CN101667243A; JP2010062948A; US20100052861A1

Abstract

本发明提供一种评估无线电波强度的仿真装置和仿真方法，包括：估算到达无线标签的天线的无线电波的接收功率，其中该无线标签具有与所述天线连接的IC芯片；计算用于将无线标签的天线的阻抗与无线标签的IC芯片的阻抗进行匹配的阻抗匹配系数；以及使用所计算的阻抗匹配系数来调节所估算的接收功率。本发明能够准确地评估无线电波的传播特性。

Description

仿真装置以及仿真方法

技术领域

本发明的实施例涉及一种对无线电波强度进行评估的仿真装置以及仿真方法。

特别地，所述的实施例涉及一种能够对无线电波的传播特性进行评估的仿真装置以及仿真方法。

背景技术

目前，无线标签被广泛使用。无线标签包括RFID(射频识别)标签、IC标签及其它标签。特别地，无内置电池的无源RFID标签使用弱无线电波与阅读器/写入器通信，因此易于受到所使用的无线电波状态的影响。因此，无源RFID标签难以根据标签周围的环境表现出规定的性能。因此，在系统使用无源RFID标签时，预先评估RFID标签在实际使用该标签的环境中的无线电波特性是很重要的。

作为对RFID标签的无线电波特性进行评估的一种技术，人们关注于射线跟踪法(ray-tracing method)。该射线跟踪法是一种通过计算从发射点发出的光射线被多次反射、散射并通过周围结构传送以最终到达接收点所沿循的路径来对光射线的传播特性进行估算(estimate)的技术。射线跟踪法还可以通过将无线电波作为光射线来估算无线电波的传播特性。获得无线电波的传播特性的典型的矩法(moment method)是用于评估无线电波的传播特性的技术，并且使用这种方法可以获得准确率高的评估结果。但是，在该方法中需要大量的计算。另一方面，在射线跟踪方法中，只需要相对少量的数学运算。

作为一种已经提出的射线跟踪法，在Hirohito Sugawara和Takashi Ono发表于由Nihon Denki K.K.发行的“NEC Technology(2006，第59卷，第112-115页)”中一篇标题为“Reading Rate Simulator for Increasing Efficiencyof Design Work Upon Introduction of UHF Band RFID(RADIOSCAPE-RFID)”的论文中作了描述。

发明内容

一种评估无线电波强度的仿真方法，包括：估算到达无线标签的天线的无线电波的接收功率，其中该无线标签包括与所述天线连接的IC芯片；计算部计算用于将所述无线标签的天线的阻抗与所述无线标签的IC芯片的阻抗进行匹配的阻抗匹配系数；以及使用所计算的阻抗匹配系数来调节所估算的接收功率。

本文讨论的实施例的一个方案是提供一种仿真装置。对无线电波强度进行评估的仿真装置包括：射线跟踪部，估算到达无线标签的天线的无线电波的接收功率，该无线标签包括与所述天线连接的IC芯片；匹配系数计算部，计算用于将所述无线标签的天线的阻抗与所述无线标签的IC芯片的阻抗进行匹配的阻抗匹配系数；以及调节部，使用所述匹配系数计算部中计算的阻抗匹配系数来调节在所述射线跟踪部中估算的接收功率。

通过在权利要求书中具体指出的元件和组合，将实现和获得本发明实施例的目的和优点。

应当理解，本发明的前述概括描述和下述具体描述这两者都仅是示例性的和说明性的，而不是用于限制本发明，本发明的范围由所附的权利要求来定义。

在以下的说明书中，将阐述本发明的其它方案和/或优点，并且部分其它方案和优点在说明书中将是显而易见的，或者可以通过本发明的实践而获得。

附图说明

通过结合附图在下文对实施例的描述，这些和/或其它方面和优点是显而易见的，并且易于理解。其中：

图1是示出根据一实施例的仿真装置的配置的实例的功能框图；

图2是示出RFID标签的阻抗匹配模型的实例的示图；

图3是示出在已考虑IC芯片时获得的阻抗匹配模型的实例的示图；

图4是示出评估接收功率的方法的实例的示图；

图5是示出在未考虑阻抗匹配系数τ时获得的评估结果的实例的曲线图；

图6是示出在已考虑阻抗匹配系数τ时获得的评估结果的实例的曲线图；

图7是示出在排列多个RFID标签时所采用的接收功率的评估方法的示图；

图8是示出在已输入所有RFID标签的接收天线辐射方向图数据(radiation pattern data)时获得的评估结果的实例的曲线图；

图9是示出在已输入设置在阵列两端和中心的RFID标签的接收天线辐射方向图数据时获得的评估结果的实例的曲线图；

图10是示出评估结果的实例的示图；

图11是示出使用仿真装置执行的处理步骤的实例的操作图；以及

图12是示出执行仿真程序的计算机的实例的功能框图。

具体实施方式

下文将参照附图中示出的实例，详细描述本发明的具体实施例。其中相同的附图标记始终表示相同的部分。下面描述的实施例通过参照附图来说明本发明。

典型的射线跟踪法是一种用来计算无线电波的几何轨迹的技术，因此存在难以完全准确地对RFID标签评估无线电波传播特性的问题。例如，由于RFID标签上用来发射和接收无线电波的天线的阻抗不匹配会导致传输损耗(transfer loss)。但是，在典型的射线跟踪法中并没有考虑到上面提到的特性。

本申请的实施例中公开的技术是为了解决上面提到的现有技术固有的问题而研制的。因此，一实施例的目的是提供一种能够对无线标签，特别是RFID标签准确地评估无线电波的传播特性的仿真装置和仿真方法。

以下，将参照附图详细描述本申请公开的仿真程序、仿真装置和仿真方法的优选实施例。在下面的实例中，将主要描述对在无源RFID标签接收无线电波时所获得的传播特性进行评估的情况。本申请公开的技术还可以评估当阅读器/写入器接收由RFID标签发射的无线电波时获得的传播特性。

首先，描述根据本申请的一实施例的仿真装置10的配置。图1是示出仿真装置10的配置实例的功能框图。如图1所示，仿真装置10包括：匹配系数计算部11、插值部12、射线跟踪部13、调节部14、输入部15和输出部16。

输入部15接收一个或多个输入数据，例如RFID标签规格数据1、阅读器/写入器规格数据2、接收天线辐射方向图数据3、发射天线辐射方向图数据4、几何数据5、计算条件6等等。输出部16输出使用射线跟踪部13计算(估算)并使用调节部14调节的接收功率7，作为仿真结果。尽管提供规定类型的输入数据来描述数据输入，但其目的不是用于限制。例如，可以通过输入部15输入任何一个数据或数据组合。

匹配系数计算部11为附连到RFID标签的天线和IC(集成电路)芯片计算阻抗匹配系数。该阻抗匹配系数是表示天线的阻抗与IC芯片的阻抗彼此匹配程度的系数，换言之，表示RFID标签从阅读器/写入器接收到的无线电波被转换成电力的效率。

通常，在考虑RFID标签的阻抗匹配的情况下，基于图2中示出的模型，将同轴线上的50Ω的特性阻抗作为IC芯片的阻抗。但是，在实际中，如图3所示，IC芯片的阻抗与同轴线上的50Ω的阻抗不同。

因此，匹配系数计算部11使用下面的数学公式1-3来为RFID标签的天线和IC芯片计算阻抗匹配系数τ。

数学公式1

X_{C} = \frac{1}{jωCcp} . . . (1)

数学公式2

X_A＝jωLap …(2)

数学公式3

τ = \frac{{4 R}_{A} R_{C}}{{(R_{A} + R_{C})}^{2} + {(X_{A} + X_{C})}^{2}} . . . (3)

这里，j是虚数单位，ω是AC的角速度，Ccp是IC芯片的芯片容量分量，Lap是天线的电感分量，R_A是天线的辐射电阻，R_C是IC芯片的芯片电阻。

以上述方式计算的阻抗匹配系数τ被用于使用调节部14调节接收功率的过程中。通过根据阻抗匹配系数τ来调节接收功率，可以计算反映出RFID标签的特性的正确接收功率。

这里，图4示出了一实例，其中RFID标签20与阅读器/写入器30之间的距离每次改变10m，并且通过射线跟踪法和矩法来计算每段距离之上的RFID标签20的接收功率。矩法是一种到目前为止用于对无线电波的传播特性进行评估的技术。尽管通过矩法获得准确率高的评估结果，但在该方法中需要相当大量的计算。

图5是示出在没有考虑阻抗匹配系数τ时获得的评估结果的实例的曲线图。如图5所示，在没有考虑到阻抗匹配系数τ时，通过射线跟踪法获得的评估结果与通过矩法获得的评估结果不同。

图6是示出在考虑到阻抗匹配系数τ时获得的评估结果的实例的曲线图。如图6所示，在考虑到阻抗匹配系数τ的情况下，通过射线跟踪法获得的评估结果基本与通过矩法获得的评估结果一致。尽管与矩法相比，射线跟踪法需要的计算量较少，但是如上所述通过考虑阻抗匹配系数τ，射线跟踪法可以达到基本与通过矩法达到的计算精度相当的计算精度。

顺带提一下，在对阅读器/写入器30接收的从RFID标签发射的无线电波时获得的传播特征进行评估的情况下，匹配系数计算部11根据输入的阅读器/写入器规格数据2为天线和阅读器/写入器的电缆计算阻抗匹配系数。

插值部12(图1)对输入的接收天线辐射方向图数据3进行插值。接收天线辐射方向图数据3是复数数据，表示根据无线电波入射方向由天线接收到的并通过矩法、FDTD方法和有限元方法获得的无线电波的强度。输入的接收天线辐射方向图数据3用来使用射线跟踪部13计算(估算)每一路径的无线电波强度。

通常，在设置多个RFID标签时，考虑标签的数目和标签之间的间隔，优选为每个RFID标签准备接收天线辐射方向图数据3。原因在于：由于RFID标签的天线是由金属制成的，因此在RFID标签彼此相邻设置的情况下，在相邻天线之间会出现耦合现象，从而天线辐射方向图会相应地改变。

但是，当每个RFID标签被附加到相应的小尺寸产品并且附加了RFID标签的许多产品被装在波纹硬纸箱中时，有时会出现一百个或更多个RFID标签以窄小的间隔排列的情况。在此情况下，要花许多时间和精力来为每个RFID标签准备接收天线辐射方向图数据3。

因此，当在排列多个RFID标签时输入一些RFID标签的接收天线辐射方向图数据3时，插值部12通过执行插值处理来生成剩余RFID标签的接收天线辐射方向图数据3。

具体地，当存在没有输入接收天线辐射方向图数据3的RFID标签时，插值部12选择其周围输入了接收天线辐射方向图数据3的RFID标签。然后，在每个无线电波入射方向上，插值部12根据所选的一个RFID标签和待插值的RFID标签以及其它所选RFID标签之间的距离，在所选RFID标签的接收天线辐射方向图数据3上执行插值处理，以生成用于接收天线辐射方向图数据3的插值数据。顺带提一句，对于插值系统，可以采用线性插值系统或者多元插值系统。

例如，当排列多个RFID标签时，如果输入设置在阵列两端和中央的RFID标签的接收天线辐射方向图数据3，则通过使用插值部12执行插值处理可以获得完全准确的评估结果。

关于以上所述，图7示出了当排列40个RFID标签20，并且阅读器/写入器天线30设置在与40个RFID标签20相距0.5m的位置时，每个RFID标签的接收功率的计算实例。

图8是示出当已输入所有RFID标签20的接收天线辐射方向图数据3时获得的计算结果的实例的曲线图。该曲线图示出了通过输入所有RFID标签20的接收天线辐射方向图数据3，用射线跟踪法计算的每个RFID标签的接收功率，以及通过矩法计算的每个RFID标签的接收功率。如该曲线图所示，通过射线跟踪法获得的计算结果基本与通过矩法获得的计算结果一致。

图9是示出当仅输入设置在阵列两端和中央的RFID标签20的接收天线辐射方向图数据3时获得的计算结果的实例的曲线图。图9示出了执行插值处理来生成设置在阵列两端和中央的标签之外的RFID20标签的接收天线辐射方向图数据3，通过射线跟踪法计算得到的每个RFID标签的接收功率，以及通过矩法获得的每个RFID标签的接收功率。如图9所示，即使只输入设置在阵列两端和中央的RFID标签20的接收天线辐射方向图数据3，也可以获得与通过矩法获得的计算结果相当的计算精度。

顺带提一句，当要对在通过阅读器/写入器接收由RFID标签发射的无线电波的情况下获得的传播特性进行评估时，插值部12通过执行插值处理生成未输入到标签中的发射天线辐射方向图数据4。发射天线辐射方向图数据4是复数数据，表示在每个无线电波入射方向上从天线发射的无线电波强度，发射天线辐射方向图数据4是通过矩法、FDTD方法和有限元方法获得的。发射天线辐射方向图数据4使用射线跟踪部13来计算(估算)沿每个路径的每个无线电波的强度，且发射天线辐射方向图数据4优选为一开始就为发射无线电波的每个RFID标签准备。

回到图1进行描述。在图1中，射线跟踪部13通过使用射线跟踪法评估无线电波的传播特性。作为使用射线跟踪部13计算(估算)的值，例如，给出表示由RFID标签接收的无线电波的接收功率的值。射线跟踪部13使用接收天线辐射方向图数据3、发射天线辐射方向图数据4、几何数据5以及计算条件6来对无线电波的传播特性进行评估。接收天线辐射方向图数据3和发射天线辐射方向图数据4被用作用于评估视为到达RFID标签的光射线的无线电波数量的部分信息。

几何数据5包括与使用RFID标签的环境有关的物理信息，且包括安装阅读器/写入器的空间的形式、尺寸和材料质量，安装阅读器/写入器的位置和方向，RFID标签的数目、以及每个RFID标签的位置和封装形式。计算条件6包括诸如所使用的无线电波的频率等各种计算条件。

调节部14对使用射线跟踪部13获得的计算(估算)结果执行调节处理。具体地，调节部14将使用射线跟踪部13计算(估算)的每个RFID标签的接收功率与使用阻抗系数计算部11计算的阻抗匹配系数τ相乘，以计算每个RFID标签的接收功率7。使用调节部14计算的接收功率7作为评估结果输出。

图10是示出评估结果的实例的示图。在图10示出的实例中，在如此计算的接收功率的基础上表示每个RFID标签的可读/可写范围。

接着，描述使用图1所示的仿真装置10执行处理的步骤。图11是示出使用仿真装置10执行处理的步骤的实例的操作图。如图11所示，仿真装置10接收几何数据5的输入(在操作S101)，接收RFID标签规格数据1的输入(在操作S102)，然后接收阅读器/写入器规格数据2的输入(在操作S103)。

此外，仿真装置10接收接收天线辐射方向图数据3的输入(在操作S104)，接收发射天线辐射方向图数据4的输入(在操作S105)，然后接收计算条件6的输入(在操作S106)。接着，在已经输入上述各种数据后存在没有输入接收天线辐射方向图数据3的RFID标签时，插值部12执行插值处理以生成上述RFID标签的接收天线辐射方向图数据3(在操作S107)。

接着，射线跟踪部13评估无线电波的传播特性(在操作S108)，且匹配系数计算部11计算阻抗匹配系数τ(在操作S109)。然后，调节部14调节接收功率，即，借助于阻抗匹配系数τ使用射线跟踪部13获得的计算(估算)结果，以输出接收功率7(在操作S110)。

顺带提一句，在不脱离实施例的范围和主旨的前提下，可以以各种方式改变图1中所示的根据本申请的实施例的仿真装置10所包括的配置。例如，通过以软件执行仿真装置10的功能并使用计算机执行该软件，可以实现与仿真装置10的功能等同的功能。接着，将描述用来执行仿真程序171(图12)的计算机的实例，其中仿真装置10的功能已经以软件执行。

图12是示出执行仿真程序171的计算机100的实例的功能框图。计算机100包括执行各种操作处理的CPU(中央处理单元)110、接收包括来自用户的数据输入的输入装置120、显示各种信息的监视器130、通过网络向其它计算机发送数据并接收来自其它计算机的数据的网络接口装置150、暂时存储各种信息的RAM(随机存取存储器)160和能通过总线180彼此连接的硬盘装置170。

具有等同于图1中所示的仿真装置10的功能的仿真程序171和与输入到图1中所示的仿真装置的各种数据对应的仿真数据172被存储在硬盘装置170中。作为一种替代方式，可以适当地分配仿真数据172并将其存储在通过网络与仿真装置连接的其它计算机中。

在图12所示的实例中，CPU 110从硬盘装置170中读出仿真程序171，并在RAM 160中扩展该程序。结果，仿真程序171用作仿真处理161。然后，仿真处理161用来在RAM 160中已经分配给该处理本身的区域中适当地对从仿真数据172中读出的信息进行扩展，并使计算机在如此扩展后的数据的基础上执行各种数据处理。

顺带提一句，仿真程序171不一定必须存储在硬盘装置170中，可以将该程序存储在诸如CD-ROM之类的存储介质中，使得计算机100从存储介质中读出程序，以执行存储于其中的处理。此外，可以将程序存储在通过公用线、互联网、LAN(局域网)或WAN(广域网)与计算机100连接的其它计算机(或服务器)中，使得计算机100从上述计算机或服务器中读出程序以执行存储在其中的处理。

而且，根据实施例的方案，可以提供上述特征、功能和/或操作的任何组合。

通过详细说明，实施例的许多特征和优点是显而易见的，因此，旨在由所附权利要求书来涵盖落入其真正构思和范围内的所有这些实施例的特征和优点。而且，由于本领域技术人员可以容易想到各种改进和变化，所以不期望将本发明的实施例限制到本文图示和描述的确切构造和操作，因此可以采用落入其范围内的所有适当改进和等同物。

可以用计算硬件(计算设备)和/或软件来实现实施例，例如(在非限制实例中)可以存储、取回、处理和/或输出数据和/或与其它计算机通信的任何计算机。可以在计算硬件的显示器上显示所产生的结果。通信介质的实例包括载波信号。

此处叙述的全部实例和条件的语言都是作为教导目的，用于帮助读者理解由发明人所贡献的本发明的原理和概念，从而深化本领域，并且是用于解释而不是用于限制这些明确叙述的实例和条件，说明书中的这些实例的组织也不涉及对本发明的优势和劣势的展示。尽管已经详细地描述了本发明的实施例，但是应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对本发明进行各种变化、替换和更改。

Claims

1.一种评估无线电波强度的仿真装置，所述仿真装置包括：

射线跟踪部，估算到达无线标签的天线的无线电波的接收功率，所述无线标签包括与所述天线连接的IC芯片；

匹配系数计算部，计算用于将所述无线标签的天线的阻抗与所述无线标签的IC芯片的阻抗进行匹配的阻抗匹配系数；以及

调节部，使用在所述匹配系数计算部中计算的阻抗匹配系数来调节在所述射线跟踪部中估算的接收功率。

2.根据权利要求1所述的仿真装置，还包括：

输入部，作为所述无线标签的规格信息至少输入用于将所述无线标签的天线的阻抗与所述无线标签的IC芯片的阻抗进行匹配的阻抗匹配系数；以及

输出部，作为仿真结果输出在所述调节部中调节的接收功率。

3.根据权利要求1所述的仿真装置，其中

所述射线跟踪部通过使用输入到每一个无线标签中的无线电波的辐射方向图数据来计算所述接收功率。

4.根据权利要求3所述的仿真装置，还包括：

插值部，当存在未被输入所述辐射方向图数据的无线标签时，通过对另一无线标签的辐射方向图数据执行插值处理，生成未被输入所述辐射方向图数据的无线标签的辐射方向图数据。

5.一种使计算机用作仿真装置的仿真方法，包括以下步骤：

执行第一计算，计算到达无线标签的天线的无线电波的接收功率，所述无线标签包括与所述天线连接的IC芯片；

执行第二计算，计算用于将所述无线标签的天线的阻抗与所述无线标签的IC芯片的阻抗彼此进行匹配的阻抗匹配系数；以及

使用在所述第二计算中计算的阻抗匹配系数来调节在所述第一计算中计算的接收功率的结果。

6.根据权利要求5所述的仿真方法，其中在所述第一计算中，使用输入到每一个无线标签中的电波的辐射方向图数据来计算所述接收功率。

7.根据权利要求6所述的仿真方法，还包括以下步骤：

在插值过程中，当存在未被输入所述辐射方向图数据的无线标签时，通过使用所述仿真装置对另一无线标签的辐射方向图数据执行插值处理，生成未被输入所述辐射方向图数据的无线标签的辐射方向图数据。