CN112272031A - 一种天线阻抗自动匹配方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天线阻抗自动匹配方法和系统，该方法，包括：S1，获取信号传输时柔性贴片天线的反射系数S11参数和驻波比；所述柔性天线包括有源馈线和位于上平面和地平面之间的无源电抗元件；S2，将所述反射系数S11参数和驻波比利用遗传算法、闭环算法在目标函数下优化得到无源电抗元件的最优容值；S3，控制柔性天线上的无源电抗元件达到最优容值，实现柔性天线系统的阻抗匹配。本发明为对乳腺介电特性测量的柔性贴片天线进行自适应匹配，提高天线的匹配效率。自适应匹配过程是基于遗传算法选择出最优的一组参数，再通过单片机去控制变容二极管的电压，来改变其容值，从而改变输入阻抗来达到匹配的目的。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种用于乳腺介电特性测量的天线阻抗自动匹配方法和系统。
背景技术
天线是负责电磁波的发射和接收的重要无线电部件，它将传输线上的导行波变换成在自由空间中传播的电磁波，或者把在自由空间中传播的电磁波接收下来并变换成在传输线中传播的导行波。从本质上将，天线就是一种能量转换装置。它是联系外部自由空间与内部电路之间的纽带与桥梁。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。电磁波既可作为无线通信中信号传递的桥梁，也可以作为物体介电特性的测量媒介。例如可以利用电磁波信号测量乳腺的介电特性，基本原理是利用柔性贴片天线与待测乳腺组织的阻抗不匹配，在天线接收端将产生反射信号，通过测量反射系数计算出待测乳腺组织的介电特性参数。天线性能的优劣直接影响整个乳腺介电测量系统的稳定性，当工作环境或与人体的相对位置发生改变时，整个天线的输入阻抗也会随着改变，从而造成整个系统处于失配状态。因此，为了实现阻抗匹配，通常在终端负载和信号源之间接入一个匹配网络，使传输回信号源的反射系数最小，并使天线负载从源端获得最大有效功率。阻抗匹配的原理是通过改变电路中无源电抗元件的值，进而改变整个匹配电路的输入阻抗,由此可以消除天线的输入电抗成分,使输入阻抗尽可能是纯电阻并接近有源馈线的特性阻抗,从而可以让天线工作在最佳谐振频点,实现提高天线性能的设计目的。
传统的阻抗匹配网络是针对某一点的频率来设计，采用固定参数元件的匹配网络，但不能应用于宽频领域。同时，一个固定参数的匹配网络也很难满足对时变负载阻抗的实时匹配。且传统的天线的阻抗匹配过程是利用工程经验人工手动去调节或替换无源元件，是一项繁琐又费时的工作。
因此，行业内急需研究为能对时变负载做到实时、快速和稳定的自适应阻抗匹配技术。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种自适应阻抗匹配的天线阻抗自动匹配方法和系统。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种天线阻抗自动匹配方法，包括：
S1，获取柔性贴片天线信号传输时的反射系数S11参数和驻波比；所述柔性贴片天线包括有源馈线和位于上平面和地平面之间的无源电抗元件；
S2，将所述反射系数S11参数和驻波比利用遗传算法、闭环算法在目标函数下优化得到无源电抗元件的最优容值；
S3，控制柔性贴片天线上的无源电抗元件达到最优容值，实现柔性贴片天线传输系统的阻抗匹配。
优选地，目标函数的优化目标是在1.2GHz-6.65GHz带宽下找到柔性贴片天线满足最大增益和最小反射系数的无源电抗元件的最优容值。
优选地，所述无源电抗元件为3个变容二极管，有源馈线通过三条短路带连接上平面和地平面。
优选地，所述柔性贴片天线的上平面和地平面均为铜材料。
优选地，所述柔性贴片天线用于测量用于乳腺介电特性，待测对象为人体的乳腺。
一种天线阻抗自动匹配系统，包括：柔性贴片天线、微控制器、网络分析仪和终端；所述柔性贴片天线包括有源馈线和位于上平面和地平面之间的无源电抗元件，所述网络分析仪测量柔性天线的反射系数S11参数及驻波比，并将反射系数S11参数、驻波比发送至终端；终端将所述反射系数S11参数和驻波比利用遗传算法、闭环算法在目标函数下优化得到无源电抗元件的最优容值；并将最优容值发送至微控制器；微控制器控制无源电抗元件两端电压使其达到最优容值，实现柔性天线系统的阻抗匹配。
优选地，所述目标函数的优化目标是在1.2GHz-6.65GHz带宽下找到柔性贴片天线满足最大增益和最小反射系数的无源电抗元件的最优容值，使得柔性天线输入阻抗和馈电传输线匹配。
优选地，闭环算法的步骤包括：在天线的通道频率范围内，选择起始频率，将所述网络分析仪测量的当前反射系数S11参数与先前的测量值进行对比，若当前反射系数S11参数大于先前的测量值，则控制柔性天线上的无源电抗元件调谐到这个频率。
优选地，微控制器为单片机，终端为计算机。
本发明相对于现有技术具有如下优点：
本发明为对乳腺介电特性进行测量的柔性贴片天线进行自适应匹配，自适应匹配过程是基于遗传算法和闭环算法选择出最优的一组参数，再通过单片机去控制变容二极管的电压，来改变其容值，从而改变输入阻抗来达到匹配的目的，使得天线工作在最佳状态，从而使得到更准确测量结果，同时提高天线的匹配效率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的天线阻抗自动匹配方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种天线阻抗自动匹配系统，包括：柔性贴片天线、微控制器、网络分析仪和终端；所述柔性贴片天线包括有源馈线和位于上平面和地平面之间的无源电抗元件，所述网络分析仪测量柔性天线的反射系数S11参数及驻波比，并将反射系数S11参数、驻波比发送至终端；终端将所述反射系数S11参数和驻波比利用遗传算法、闭环算法在目标函数下优化得到无源电抗元件的最优容值；并将最优容值发送至微控制器；微控制器控制无源电抗元件达到最优容值，实现柔性天线系统的阻抗匹配。柔性天线系统包括柔性贴片天线、匹配网络和有源馈线。阻抗匹配是指柔性贴片天线和传输线的阻抗匹配。其中传输线和有源馈线连接。
在本实施例，所述无源电抗元件为3个变容二极管，有源馈线通过三条三条短路带连接上平面和地平面。所述柔性天线的上平面和地平面均为铜材料。所述柔性天线用于测量用于乳腺介电特性，待测对象为人体的乳腺。在本实施例，微控制器为单片机，单片机用于控制变容二极管的输出电压，从而控制其容值，来达到匹配的效果。终端为计算机，计算机用来处理网络分析仪测量的数据，并利用遗传算法和闭环算法在目标函数下优化得到三个变容二极管的容值，然后通过控制单片机输出对应的电压值至三个变容二极管，从而三个变容二极管达到相应的容值，从而达到自适应匹配的效果。
参见图1、适用于上述系统的一种天线阻抗自动匹配方法，包括：
S1，获取和柔性贴片天线信号传输时的反射系数S11参数和驻波比；所述柔性贴片天线包括有源馈线和位于上平面和地平面之间的无源电抗元件；此时，柔性贴片天线和待测的乳腺组织进行电磁波信号传输，用于测量乳腺组织的介电特性；
S2，将所述反射系数S11参数和驻波比利用遗传算法、闭环算法在目标函数下优化得到无源电抗元件的最优容值；目标函数的优化目标是在1.2GHz-6.65GHz带宽下找到柔性天线满足最大增益和最小反射系数的无源电抗元件的最优容值，使得50欧姆输入阻抗和50欧姆馈电传输线匹配。
S3，控制柔性天线上的无源电抗元件达到最优容值，实现柔性天线系统的阻抗匹配。
具体地为，固定柔性天线的其他参数不变，以三个变容二极管的容值为待优化参数，基于先前的工作得到最优的天线尺寸，尺寸为宽度:0.046m×长度:0.054m×高度:0.0083m其工作频率范围在1200MHz-6650MHz，工作频率取决于变容二极管的值。
在本实施例，闭环算法的步骤包括：在天线的通道频率范围内，选择一个起始频率，测量S11参数，然后天线以每10MHz扫描适当的频率范围(特定信道，例如1500MHz-1600MHz的频率范围)，然后进行测量S11参数，并以这种方式将其与先前的测量调整值相比较，以得到最佳频率值。因此，每次天线在不同的通道中操作时(根据人体组织的介电特性，并且由于阻抗匹配会发生变化，因此会发生频移)，都应执行快速扫描，以调整正确的频率。该过程的实现是通过一个简单的单片机执行的，该单片机可以比较S11参数的值，并且当找到最佳值时，相应地更改变容二极管的电压。
本发明能够为用于乳腺介电特性测量的柔性贴片天线自动进行阻抗匹配，使天线处于最佳的工作状态。例如当进行乳腺介电测量时，探测到较厚的脂肪层，由于人体与电磁波复杂的生物电磁作用，增加不同的负载会使得天线偏离原有的匹配状态，这时，阻抗自适应匹配技术就可以通过调节变容二极管的容值，而重新回到阻抗匹配的状态，使得天线工作在最佳状态。而阻抗自适应匹配中利用遗传算法高准确度的进行阻抗匹配，不需依赖工程经验人工费时费力逐步的调试，可极大的节约时间和精力。
本发明能自适应阻抗匹配应用领域广泛，具有更大的工程发展前景。在许多实际的应用中，阻抗匹配网络不仅可以使系统传输功率最大化，降低了噪声干扰，而且还提高了功率容量和频率响应的线性度。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种天线阻抗自动匹配方法，其特征在于，包括：
S1，获取柔性贴片天线信号传输时的反射系数S11参数和驻波比；所述柔性贴片天线包括有源馈线和位于上平面和地平面之间的无源电抗元件；
S2，将所述反射系数S11参数和驻波比利用遗传算法、闭环算法在目标函数下优化得到无源电抗元件的最优容值；
S3，控制柔性贴片天线上的无源电抗元件达到最优容值，实现柔性贴片天线传输系统的阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的天线阻抗自动匹配方法，其特征在于，目标函数的优化目标是在1.2GHz-6.65GHz带宽下找到柔性贴片天线满足最大增益和最小反射系数的无源电抗元件的最优容值。
3.根据权利要求1所述的天线阻抗自动匹配方法，其特征在于，所述无源电抗元件为3个变容二极管，有源馈线通过三条短路带连接上平面和地平面。
4.根据权利要求1所述的天线阻抗自动匹配方法，其特征在于，所述柔性天线的上平面和地平面均为铜材料。
5.根据权利要求1所述的天线阻抗自动匹配方法，其特征在于，所述柔性贴片天线用于测量用于乳腺介电特性，待测对象为人体的乳腺。
6.一种天线阻抗自动匹配系统，其特征在于，包括：柔性贴片天线、微控制器、网络分析仪和终端；所述柔性贴片天线包括有源馈线和位于上平面和地平面之间的无源电抗元件，
所述网络分析仪测量柔性天线的反射系数S11参数及驻波比，并将反射系数S11参数、驻波比发送至终端；终端将所述反射系数S11参数和驻波比利用遗传算法、闭环算法在目标函数下优化得到无源电抗元件的最优容值；并将最优容值发送至微控制器；微控制器控制无源电抗元件达到最优容值，实现柔性贴片天线系统的阻抗匹配。
7.根据权利要求6所述的天线阻抗自动匹配系统，其特征在于，所述目标函数的优化目标是在1.2GHz-6.65GHz带宽下找到柔性贴片天线满足最大增益和最小反射系数的无源电抗元件的最优容值，使得柔性天线输入阻抗和馈电传输线匹配。
8.根据权利要求6所述的天线阻抗自动匹配系统，其特征在于，闭环算法的步骤包括：在天线的通道频率范围内，选择起始频率，将所述网络分析仪测量的当前反射系数S11参数与先前的测量值进行对比，若当前反射系数S11参数大于先前的测量值，则控制柔性贴片天线上的无源电抗元件调谐到这个频率。
9.根据权利要求6所述的天线阻抗自动匹配系统，其特征在于，微控制器为单片机，终端为计算机。
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