CN103235959A - 在读写器中使天线阵列输出形成数字波束的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在读写器中使天线阵列输出形成数字波束的方法，包括如下步骤：天线阵列各阵元接收标签回波，所述天线阵列是均匀线阵；得到第m个阵元相对于参考阵元的参数，并得到所述天线阵列的导向矢量；得到所述参考单元接收到的第i个标签回波信号；得到第m个单元取得的第i个标签的回波信号；对得到的各天线阵元的第i个标签的回波信号进行加权求和，得到所述天线阵列输出的第i个标签的回波信号。实施本发明的在读写器中使天线阵列输出形成数字波束的方法，具有以下有益效果：该天线阵列的覆盖范围较广、且接收效果较为理想。

Description

在读写器中使天线阵列输出形成数字波束的方法

技术领域

本发明涉及射频识别领域，更具体地说，涉及一种在读写器中使天线阵列输出形成数字波束的方法。

背景技术

当前，RFID（射频识别）技术在公共交通、地铁、校园等地方取得了广泛的应用。随着RFID技术的发展和成本的降低，RFID技术将会得到更快的发展。当然RFID技术在使用中也遇到了不少障碍，如读写器的读写距离限制、电子标签的冲突和读写速度等。在现有技术中，通常是采用单个的天线来接收外部的电磁波，由于这些天线具有固定的指向，其覆盖范围较窄；加上RFID的使用环境非常复杂，所以，在现有的天线中，可能会出现在一些情况下接收效果较好；而在另外一些情况下，接收效果并不好。例如，如果天线不是全向的，当标签位于该天线的主瓣之外的位置时，其接收效果就不好。即使能够接收到信号，其有效的作用距离也大大减少。为RFID的应用带来了一定的限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述天线覆盖范围较窄、接收效果不够理想缺陷，提供一种天线覆盖范围较宽、接收效果较为理想的在读写器中使天线阵列输出形成数字波束的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种在读写器中使天线阵列输出形成数字波束的方法，包括如下步骤：

A）天线阵列各阵元接收多个标签回波，所述天线阵列是均匀线阵；

B）比较参考阵元和所述天线阵列中其他阵元接收到的回波，分别得到第m个阵元相对于参考阵元的参数，所述参数包括第m个阵元对第i个标签回波信号的增益和第i个标签回波信号到达第m个阵元相对于参考阵元的时延；并得到所述天线阵列的导向矢量；

C）按照s_i＝z_i(t)·exp(jω₀t),i＝1,2,...,p得到所述参考单元接收到的第i个标签回波信号，其中，z_i(t)是第i个标签回波信号的复包络，exp(jω₀t)为其载波，p是标签总数；

D）按照

得到第m个单元取得的第i个标签的回波信号；h_mi是第m个阵元对第i个标签回波信号的增益，τ_mi是第i个标签回波信号到达第m个阵元相对于参考阵元的时延，n_m(t)是第m个阵元收到的加性噪声；

E）对上述各天线阵元得到的第i个标签的回波信号进行加权求和，得到所述天线阵列输出的第i个标签的回波信号。

更进一步地，开始工作时还包括如下步骤：取得所述天线阵列的结构参数并设置所述天线阵列的参考单元。

更进一步地，还包括如下步骤：依次对所述天线阵列接收到的多个标签回波执行步骤A）到E），得到多个标签回波在所述天线阵列的输出信号。

更进一步地，所述均匀线阵是其天线阵元等距排列在一条直线上，两个阵元之间的间距小于或等于λ/2，λ是该天线阵列的工作波长。

更进一步地，所述步骤B）中进一步包括：

B1）分别比较第m个天线阵元和参考阵元接收到的信号，得到第m个阵元对于参考单元的第i个标签回波信号的增益；

B2）按照得到各天线阵元对于所述参考阵元的时延，其中，d是各阵元之间的阵元间距，θ是来波方向与阵列法线的夹角；

B3）按照 $a_i\left({\mathrm{\θ}}_0\right)={\left[\begin{array}{cccc}1& \exp \left(j\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{c}d\sin \mathrm{\θ}\right)& \·\·\·& \exp \left(j\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{c}(m-1)d\sin \mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]}^T$ 得到天线阵列的导向矩阵，其中θ₀是当前空中存在的回波。

更进一步地，所述步骤E）进一步包括：按照X(t)＝AS(t)+N(t)得到所述天线阵列接收的第i个标签的回波信号,其中， $X\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)\\ x_2\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_m\left(t\right)\end{array}\right],$ $S\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{S}_1\left(t\right)\\ S_2\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ S_p\left(t\right)\end{array}\right],$ $N\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{n}_1\left(t\right)\\ n_2\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ n_m\left(t\right)\end{array}\right],$ A＝[a₁(ω₀)a₁(ω₀)…a_p(ω₀)]，其中，x₁(t)到x_m(t)分别是m个天线阵元接收的标签回波信号；s₁(t)到s_p(t)分别是m个天线阵元中的p个发送的信号；n₁(t)到n_m(t)分别是所述各天线阵元收到的加性噪音。

更进一步地，所述步骤E）进一步包括：

依据

得到阵列方向图,其中，

M定义为天线阵阵元阵子数目。

更进一步地，所述步骤E）进一步包括：

依据

得到波束的半功率点。

更进一步地，所述步骤E）进一步包括：

依据

得到波束的零点，其中，P个零点的位置用θ_p0表示；

依据

得到所述波束的副瓣位置，并且根据 ${\sin \mathrm{\θ}}_q=\frac{2\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\πd}}[\frac{(2q+1)\mathrm{\π}}{M}+\frac{2\mathrm{\π}d\sin {\mathrm{\θ}}_0}{\mathrm{\λ}}]$ 得到第q个副瓣的位置。

更进一步地，所述天线阵列包括4个设置在一条直线上的天线阵元，相邻两个天线阵元之间的距离为λ/2。

实施本发明的在读写器中使天线阵列输出形成数字波束的方法，具有以下有益效果：由于采用从参考单元接收到的信号得到其他天线阵列单元的信号，并采用数字处理的方式合成该天线阵列的信号，相当于使得该天线阵列的接收方向指向标签发出回波的来波方向，同时消除了不同传输途径给天线阵列带来的影响。因此，该天线阵列的覆盖范围较广、且接收效果较为理想。

附图说明

图1是本发明在读写器中使天线阵列输出形成数字波束的方法实施例的流程图；

图2是所述实施例中取得各阵元对参考阵元参数的流程图；

图3是所述实施例中取得天线阵列输出信号的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。

如图1所示，在本发明的在读写器中使天线阵列输出形成数字波束的方法实施例中，该数字波束的形成包括如下步骤：

步骤S11多个天线阵元收到标签回波：在本实施例中，在读写器上连接的是一个天线阵列，也就是由多个天线阵元按照一定规律排列而得到的天线阵。对于本实施例中而言，该天线阵列是均匀线阵，也就是说，这些天线阵元等距排列在一条直线上，两个阵元之间的间距小于或等于λ/2，λ是该天线阵列的工作波长。该天线阵列是事先设置好的，所以，对于本实施例而言，这些参数（主要是间距、波长等）也是已知的。在本实施例中，当读写器上电并开始工作时，需要先取得天线阵列的结构参数并设置该天线阵列的参考单元，以便执行后面的步骤。同时，在本实施例中，上述天线阵列是具有4个排列在一条直线上的天线阵元，每两个阵元之间的距离为λ/2；对于该天线阵列而言，其远场空间在一定时间内存在p个电子标签发出的回波，即这些回波到达上述天线阵列时近似为平面波。在本步骤中，上述多个天线阵元接收到上述标签回波。

步骤S12取得各阵元对于参考阵元的参数并得到天线阵列的导向矩阵：由于在上述步骤中已经设定了该天线阵列的参考阵元，同时，所有阵元分别通过独立的通道与处理电路连接。在此基础上，直接将各阵元接收到的回波与参考阵元接收到的回波比较即可得到各阵元相对于参考阵元的一些参数，这些参数包括了就当前接收到的信号而言，各阵元对于参考阵元的增益以及各阵元对于参考阵元的时延等。得到这些参数后，可以通过这些参数取得该天线阵列相对于当前信号的导向矩阵。至于具体的步骤，稍后详述。

步骤S13得到参考阵元对于第i个回波的接收信号：在本步骤中，按照s_i＝z_i(t)·exp(jω₀t),i＝1,2,...,p得到上述参考阵元接收到的第i个标签回波信号，其中，z_i(t)是第i个标签回波信号的复包络，exp(jω₀t)为其载波，p是标签总数。

步骤S14分别得到第m个阵元对于第i个回波的接收信号：在本步骤中，按照得到第m个单元取得的第i个标签的回波信号；h_mi是第m个阵元对第i个标签回波信号的增益，τ_mi是第i个标签回波信号到达第m个阵元相对于参考阵元的时延，n_m(t)是第m个阵元收到的加性噪声。值得一提的是，对于天线阵列而言，其具有多少个非参考阵元，就可以得到多少个上述表达式中表示的信号，例如，在本实施例中，天线阵列共有4个阵元，除去一个参考阵元，其具有3个非参考阵元，所以，得到3个上述表达式表示的信号，每个表示一个非参考阵元收到的信号。

步骤S15得到天线阵列对于第i个回波的输出信号：在本步骤，对上述各天线阵元得到的第i个标签的回波信号进行加权求和，得到所述天线阵列输出的第i个标签的回波信号。具体来讲，按照X(t)＝AS(t)+N(t)得到所述天线阵列输出的第i个标签的回波信号,其中， $X\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)\\ x_2\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_m\left(t\right)\end{array}\right],$ $S\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{S}_1\left(t\right)\\ S_2\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ S_p\left(t\right)\end{array}\right],$ $N\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{n}_1\left(t\right)\\ n_2\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ n_m\left(t\right)\end{array}\right],$

其中，x₁(t)到x_m(t)分别是m个天线阵元接收的标签回波信号；s₁(t)到s_p(t)分别是m个天线阵元中的p个发送的信号；n₁(t)到n_m(t)分别是各天线阵元收到的加性噪音。

值得一提的是，在本实施例中，上述步骤的执行仅仅是得到空间中存在的多个回波中的一个回波信号。在实际的使用环境中，还需要多次重复执行上述步骤（当然，已经取得的天线阵列参数及设定的参考阵元就不需要重复取得及设置了），直到接收到空间存在的所有回波信号位置。对于一个回波信号，由于发出该回波的电子标签所处位置的不同，因此，在参考阵元上输出的信号以及各阵元相对于参考阵元的参数也就不同，从而使得最后输出的信号（包括形成的数字波束的指向及其他参数）不同。也就是说，对于不同位置的标签，可以得到不同的数字波束，从而保证对于不同位置的电子标签回波的接收都可以达到较为理想的效果。

在本实施例中，上述步骤S12进一步包括如下步骤：

步骤S21分别比较参考阵元和其他阵元接收到的信号，得到该阵元对于参考阵元的增益：在本步骤中，分别直接比较各阵元收到的信号幅度，即可得到当前回波中（第i个标签回波），各天线阵元对于参考阵元的增益。同样地，每个天线阵元对于参考阵元都具有一个增益，这些增益在本步骤中是分别取得的。

步骤S22分别取得各阵元对于参考阵元的延时：在本步骤中，按照

得到各天线阵元对于参考阵元的时延，其中，d是各阵元之间的阵元间距，θ是来波方向与阵列法线的夹角；同样地，在本步骤中，也是多次使用上述表达式得到不同天线阵元对于参考阵元的时延，例如，在本实施例中，得到3个时延，分别是不同天线阵元对于设置的参考阵元的时延。

步骤S23得到天线阵列的导向矩阵：在本步骤中，由于在上面的步骤中已经得到天线阵列的结构参数，按照 $a_i\left({\mathrm{\θ}}_0\right)={\left[\begin{array}{cccc}1& \exp \left(j\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{c}d\sin \mathrm{\θ}\right)& \·\·\·& \exp \left(j\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{c}(m-1)d\sin \mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]}^T$ 得到天线阵列的导向矩阵，其中θ₀是当前空中存在的回波。

在本实施例中，上述步骤S14中还包括如下步骤：

步骤S31得到天线阵列输出的第i个标签的回波信号：本步骤在步骤S15中已经描述，在此不再赘述。

步骤S32得到阵列方向图：在本步骤中，依据得到阵列方向图,其中，

M定义为天线阵阵元阵子数目。

步骤S33得到半功率点：在本步骤中，依据

得到波束的半功率点，其中Δθ_1/2表示半功率点。

步骤S34得到零点位置：在本步骤中，依据得到波束的零点，其中，P个零点的位置用θ_p0表示。

步骤S35得到副瓣位置：在本步骤中，依据

得到所述波束的副瓣位置，并且根据得到第q个副瓣的位置。

值得一提的是，对于步骤S32到步骤S35而言，也可以不按照上述顺序执行，在一些情况下，可能这些步骤的顺序是任意的或省略掉一些步骤。

综上所述，在本实施例中，当1x4天线阵获得多个标签回波信号获得回波时，对输出的信号进行自适应波束形成器是利用现时的输入信号和干扰矢量采用自适应算法进行处理，因而能根据环境情况自适应调整参数以实现最佳处理。采用数字方式在基带实现滤波的技术称为数字波束形成。

首先，完成信号简化成矩阵模型，获得则RFID读写器的第m个阵元接收到的信号，并且以矩阵的形式表示出来。它依赖于阵列几何结构和波的传播方向、波长等参数，称为阵列流形或导向矢量。并且获得读写器的各阵元相对参考阵元的时延及波达方向。

其次，完成1x4天线阵权值向量调整，获得均匀线阵的导向矢量。当阵元间距d大于λ/2时会产生空间模糊，所以实际阵列阵元间距不能大于半波长λ/2，以保证阵列流形矩阵的各个列向量线性独立。虽然阵列天线的方向图是全向的，但阵列的输出经过加权求和后，却可以被调整到阵列接收的方向增益聚集在一个方向上，相当于形成一个波束，所以空间阵列波束形成实际上就是空域滤波，通过将各阵元输出进行加权求和，在一时间内将天线阵列波束“导向”到一个方向上。这类同于时域滤波。并且获得RFID读写器的天线阵列信号波束形成就是对阵列各单元信号加权求和获得阵列方向图。

然后，完成多天线阵的最优波束合成，确定阵列接收信号。并且获得普通波束形成的阵列方向图，并且获得接收标签信息计算相位进行，其中权值的相位与信号在每个阵元相对参考阵元的相位相抵消，这时各个阵元的加权信号相干叠加，阵列输出最大，实现了对方向角的选择，即空域匹配滤波，将权向量取为来波信号的导向矢量。

实现合成主波束宽度确定是根据公式

获得方向图半功率点宽度。当阵元间距d＝λ/2时，由公式

获得方向图半功率点宽度，可以获得天线阵特性，线阵天线波束的半功率宽度与天线波束扫描角θ₀的余弦成反比，即扫描角越大，波束越宽。

获得天线波束的零点位置，天线阵列波束的零点位置可以根据公式

获得，其中，p为零点位置的序号。

而波束的副瓣位置是据公式 $\frac{1}{2}M[\frac{2\mathrm{\πds\; in\θ}}{\mathrm{\λ}}-\frac{2\mathrm{\π}d\sin {\mathrm{\θ}}_0}{\mathrm{\λ}}]=\frac{2q+1}{2}\mathrm{\π}$ 获得的。

在RFID读写器中采用本实施例中的方法，配合对应的天线阵列，可以自动测出标签信号来波方向，并将波束指向标签，从而实现波束随着标签的移动而移动，并且可以提高天线增益，减少信号发射功率，延长电池寿命，是RFID读写器产品的一种最优选择。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种在读写器中使天线阵列输出形成数字波束的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A）天线阵列各阵元接收标签回波，所述天线阵列是均匀线阵；

B）比较参考阵元和所述天线阵列中其他阵元接收到的回波，分别得到第m个阵元相对于参考阵元的参数，所述参数包括第m个阵元对第i个标签回波信号的增益和第i个标签回波信号到达第m个阵元相对于参考阵元的时延；并得到所述天线阵列的导向矢量；

C）按照s_i＝z_i(t)·exp(jω₀t),i＝1,2,...,p得到所述参考单元接收到的第i个标签回波信号，其中，z_i(t)是第i个标签回波信号的复包络，exp(jω₀t)为其载波，p是标签总数；

D）按照

得到第m个单元取得的第i个标签的回波信号；h_mi是第m个阵元对第i个标签回波信号的增益，τ_mi是第i个标签回波信号到达第m个阵元相对于参考阵元的时延，n_m(t)是第m个阵元收到的加性噪声；

E）对上述各天线阵元得到的第i个标签的回波信号进行加权求和，得到所述天线阵列输出的第i个标签的回波信号。

2.根据权利要求1所述的使读写器中天线阵列输出形成数字波束的方法，其特征在于，开始工作时还包括如下步骤：取得所述天线阵列的结构参数并设置所述天线阵列的参考单元。

3.根据权利要求2所述的使读写器中天线阵列输出形成数字波束的方法，其特征在于，还包括如下步骤：依次对所述天线阵列接收到的多个标签回波执行步骤A）到E），得到多个标签回波在所述天线阵列的输出信号。

4.根据权利要求3所述的使读写器中天线阵列输出形成数字波束的方法，其特征在于，所述均匀线阵是其天线阵元等距排列在一条直线上，两个阵元之间的间距小于或等于λ/2，λ是该天线阵列的工作波长。

5.根据权利要求4所述的使读写器中天线阵列输出形成数字波束的方法，其特征在于，所述步骤B）中进一步包括：

B1）分别比较第m个天线阵元和参考阵元接收到的信号，得到第m个阵元对于参考单元的第i个标签回波信号的增益；

B2）按照

得到各天线阵元对于所述参考阵元的时延，其中，d是各阵元之间的阵元间距，θ是来波方向与阵列法线的夹角；

B3）按照 $a_i\left({\mathrm{\θ}}_0\right)={\left[\begin{array}{cccc}1& \exp \left(j\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{c}d\sin \mathrm{\θ}\right)& \·\·\·& \exp \left(j\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{c}(m-1)d\sin \mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]}^T$ 得到天线阵列的导向矩阵，其中θ₀是当前空中存在的回波。

6.根据权利要求5所述的使读写器中天线阵列输出形成数字波束的方法，其特征在于，所述步骤E）进一步包括：按照X(t)＝AS(t)+N(t)得到所述天线阵列接收的第i个标签的回波信号,其中， $X\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)\\ x_2\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_m\left(t\right)\end{array}\right],$ $S\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{S}_1\left(t\right)\\ S_2\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ S_p\left(t\right)\end{array}\right],$ $N\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{n}_1\left(t\right)\\ n_2\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ n_m\left(t\right)\end{array}\right],$

其中，x₁(t)到x_m(t)分别是m个天线阵元接收的标签回波信号；s₁(t)到s_p(t)分别是m个天线阵元中的p个发送的信号；n₁(t)到n_m(t)分别是所述各天线阵元收到的加性噪音。

7.根据权利要求5所述的使读写器中天线阵列输出形成数字波束的方法，其特征在于，所述步骤E）进一步包括：

依据

得到阵列方向图,其中，

M定义为天线阵阵元阵子数目。

8.根据权利要求5所述的使读写器中天线阵列输出形成数字波束的方法，其特征在于，所述步骤E）进一步包括：

依据

得到波束的半功率点。

9.根据权利要求5所述的使读写器中天线阵列输出形成数字波束的方法，其特征在于，所述步骤E）进一步包括：

依据

得到波束的零点，其中，P个零点的位置用θ_p0表示；

依据

得到所述波束的副瓣位置，并且根据 ${\sin \mathrm{\θ}}_q=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\πd}}[\frac{(2q+1)\mathrm{\π}}{M}+\frac{2\mathrm{\π}d\sin {\mathrm{\θ}}_0}{\mathrm{\λ}}]$ 得到第q个副瓣的位置。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的使读写器中天线阵列输出形成数字波束的方法，其特征在于，所述天线阵列包括4个设置在一条直线上的天线阵元，相邻两个天线阵元之间的距离为λ/2。

Images