一种弯折线偶极子rfid标签天线优化设计方法专利名称：一种弯折线偶极子rfid标签天线优化设计方法技术领域：本发明属于射频识别技术领域，具体涉及一种弯折线偶极子RFID标签天线优化设计方法背景技术：射频识别(Radio Frequency IDentification, RFID)技术是利用电磁感应或微波能量进行非接触的双向通信的自动识别技术RFID标签依靠反射调制无线电波与阅读器通信，标签天线结构对其性能有至关重要的影响目前常用的天线结构设计方法主要有两种一种是完全凭借经验进行设计改进，该方法对于设计者的先验知识依赖性比较强，往往需要花费大量的精力；另一种常用的方法是利用电磁仿真软件进行设计或是优化选型，这种方法比较适合于高频天线的设计，而对于超高频天线的设计，往往存在稳定性不高的问题，而对此进行改进也是通过试凑的方式进行，这将极大降低用户的工作效率综合以上两种 方法，归结的主要问题是缺乏对于天线设计的严格数学模型，无法为天线设计提供严密的理论指导偶极子天线作为一种超高频天线，由于其辐射能力好、结构简单、效率高的优点，可以设计成适用于全方位通信的RFID系统，被广泛应用于RFID标签天线的设计，尤其是在远距离RFID系统中。
更为重要的是目前对于偶极子天线的理论分析较多，这为偶极子天线的设计奠定了较好的理论基础但是由于偶极子天线仅由处于同一直线上的两段粗细和等长均相同的直导线构成，结构过于简单，往往局限了其设计的灵活性于是外型结构较之偶极子天线稍为复杂的弯折线偶极子天线成为RFID标签天线小型化的一种理想选择目前对于弯折线偶极子天线的设计研究主要集中在天线的几何结构对天线性能的影响上，并已建立天线几何结构到天线性能表征的数学模型，但是由于建立的数学模型较为复杂，对于如何优化设计并得到具体天线设计结构方面目前并没有给出具体步骤和声搜索(Harmony Search, HS)是由Ζ· ff. Geem等人在2001年提出的一种元启发式寻优算法，算法通过模拟乐队调音直到实现完美和声的过程，并由此引申出解决一般优化问题的寻优策略，由于其良好的全局寻优能力而逐渐被应用于解决结构优化设计和参数寻优问题因此，本发明将HS算法应用到弯折线偶极子天线的优化设计中发明内容本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出了一种弯折线偶极子RFID标签天线优化设计方法由于弯折线偶极子天线中决定天线形状的参数主要包括弯折数，以及每一个弯折对应的宽度和高度，而天线形状的变化又会引起天线性能的变化，因此本发明利用HS算法对这几个参数进行优化，并以天线所达到的阻抗和理想值之间的匹配程度作为目标函数，并以目标函数作为性能优劣的评判标准，得出最终的天线结构尺寸参数，即性能最佳的天线弯折数以及每一个弯折对应的宽度和高度。
本发明解决上述技术问题所采取的方法是一种弯折线偶极子RFID标签天线优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤SOl :用S表示弯折线偶极子天线中的弯折数，并对S取一个初始整数值； 步骤S02 :对具有s个弯折数的弯折线偶极子天线，每个弯折分别对应一个高度和一个宽度尺寸，则对这2s个天线尺寸参数利用HS进行优化，其中HS算法是一种元启发式寻优算法，该HS算法具体步骤如下 (1)参数初始化初始化HS算法中如下参数和声记 忆库容量HMS、记忆库取值概率HMCR、音调调节概率PAR、音调调节范围bw、迭代次数NI ； (2)和声记忆库初始化和声库中保存着问题较优候选解，假设存在m维候选解向量W =^rs..则初始化过程可描述为^ = RndiL(^),U(^))，feftn]，即初始化为每一维向量取值范围内的随机值；同时计算和声库中所有候选向量的适应度值M**); (3)生成一个新解 (4)更新记忆库若存在新解适应度值Xr)要优于和声库中候选解的适应度值，则用新解r替代库中适应度最差的解； (5)检查结束条件检查是否满足结束条件，若不满足结束条件则转回步骤(3)，若满足结束条件则输出最优解； 步骤S03:通过步骤S02中HS算法优化得到对应于具有s个弯折数的弯折线偶极子天线的最优尺寸参数，也就是每一个弯折对应的高度和宽度尺寸值，记录该最优尺寸参数及其对应的弯折数s值； 步骤S04 :修改弯折数S，使得s=s+t,其中t表示每次修改的步长大小，并判断修改后的弯折数s有没有超过设定值，如果没有超过设定值，则转到步骤S02 ;如果超过设定值，则将在步骤S03中记录下来的不同弯折数s所对应的最优尺寸进行比较，并选择其中适应度值最优的尺寸参数及其对应的弯折数s作为最终的弯折线偶极子天线设计结构参数，从而完成设计。
在本发明一实施例中，所述步骤(3)中所述X1:生成方式为 生成两个随机数，PU!上均匀分布的随机数q^，再从记忆库中随机选取一个解Y 若且 Γ2,则 X =Jif ；若？I 具体实施例方式为了更好地理解本发明的技术方案和特点，以下结合说明书附图对本发明的实施方式作进一步的描述弯折线偶极子天线设计的目的是为了匹配给定芯片的阻抗值，实施例以天线输入阻抗15 + jl30欧姆为例进行说明，图I所示为弯折线偶极子天线的结构图，其中A为芯片位置，两边为对称结构，BI为弯折线，B2为直导线，可以看出两者方向互为垂直关系如果将天线看成是由若干平行双弯折线及直导线构成，则可以通过计算天线电感值，间接求解MLDA的谐振频率，天线中每一个弯折的高度和宽度分别用&和·^表示，*_= IiX…》,其中n表示天线中总的弯折数，这里天线采用窄金属带，并且其宽度用m表示， 川表示RFID标签天线匹配阻抗的虚部(这里为+130)对于一个具有s个弯折的偶极子来讲，由于每个弯折的高度和宽度尺寸不尽相同第i对相互平行的弯折线所产生的电感值矣和直导线本身所产生的电感值尽分别可以用式⑴和式⑵来表示 IiJii( I 1+ (典f(I)H iar、 . J 4 =^zilog~_1]⑵In \ a j 其中於=$，&是真空磁导家力天线的总长度，3表示半波振子天线波长力 Ar / ,λn天线金属带的宽度，与和··^分别表示每一个弯折的高度和宽度尺寸。
因此对于一个存在s个弯折数的弯折线偶极子天线来讲，总的天线电感值Ir可以表示为Zr = ^ + 1；^，又由于半波振子天线大致由长度为1/2的直导线构成，因此其自身 -I电感Zjr可以表不为 ,Ji 4Λ XhniZa^ Ls - - λ log——I +--(3) 4 JT y a J ei 天线设计如果能使得弯折线偶极子天线与半波振子天线在谐振频率相等时的电感相等，则性能达到最优，即存在ijr = ir，于是得到如下表达式/Qil,TS1,H2,W2,........A11Wj = IZjff-ZtI(4)其中，--必，义为天线的结构参数，分别表示S个弯折对应的高度和宽度尺寸，考虑到直接利用式(4)计算天线的结构参数较为困难，因此本发明将弯折线偶极子天线中的弯折数以及每一个弯折对应的高度和宽度尺寸做为天线设计的结构参数，并采用HS算法寻找最优结构参数使得式(4)达到最小本发明的总体流程图如图2所示，具体实施步骤是 步骤01初始化HS算法参数初始化和声记忆库容量(HMS)、记忆库取值概率(HMCR)、音调调节概率(PAR)、音调调节范围(bw)、迭代次数(NI)； 步骤02初始化弯折线偶极子天线的弯折数s=l，此时对应需要优化的每一个弯折的高度和宽度尺寸用(\巧.来表示； 步骤03初始化群体，即生成和声记忆库。
和声记忆库中保存的是弯折线偶极子天线结构设计中的较优候选解，即可能为最优设计的多组弯折高度和宽度尺寸参数，每一个较优候选解的维数为2s，分别对应s个弯折的宽度可高度尺寸，即存在2s维候选解向量=，itepLJHMS]，^ 初始化过程可描述为^=SmHH^XV(^y , Z(Mt)和 /(Ζ)分别表示向量的最小和最大取值范围，MmlQ表示的是生成O到I之间的随机数，即初始化为每一维向量取值范围内的随机值； 步骤04计算和声记忆库中所有候选向量对应的天线结构的适应度值声，这里的适应度函数采用式(4)所示表达式，即與(-) = /Θ ; 步骤05生成一个新解，即对原先的天线形状设计进行修改，具体步骤如下 (O首先生成两个随机数，即[ftl]上均匀分布的随机数4、r2 ； (2)从和声记忆库中随机选取一个解V； (3)得到一个新解g，其计算规则为若qcHMCE且r2>ΡΑΛ，则iq=τξ；若且 r2权利要求1.一种弯折线偶极子RFID标签天线优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤SOl :用S表示弯折线偶极子天线中的弯折数，并对S取一个初始整数值； 步骤S02 :对具有s个弯折数的弯折线偶极子天线，每个弯折分别对应一个高度和一个宽度尺寸，则对这2s个天线尺寸参数利用HS进行优化，其中HS算法是一种元启发式寻优算法，该HS算法具体步骤如下 (1)参数初始化初始化HS算法中如下参数和声记忆库容量HMS、记忆库取值概率HMCR、音调调节概率PAR、音调调节范围bw、迭代次数NI ； (2)和声记忆库初始化和声库中保存着问题较优候选解，假设存在π维候选解向量** = (4-4. -41，，π* W ；则初始化过程可描述为 ，叫初始化为每一维向量取值范围内的随机值；同时计算和声库中所有候选向量的适应度值; (3)生成一个新解if (4)更新记忆库若存在新解适应度值要优于和声库中候选解的适应度值，则用新解r替代库中适应度最差的解； (5)检查结束条件检查是否满足结束条件，若不满足结束条件则转回步骤(3)，若满足结束条件则输出最优解； 步骤S03:通过步骤S02中HS算法优化得到对应于具有s个弯折数的弯折线偶极子天线的最优尺寸参数，也就是每一个弯折对应的高度和宽度尺寸值，记录该最优尺寸参数及其对应的弯折数s值； 步骤S04 :修改弯折数S，使得s=s+t,其中t表示每次修改的步长大小，并判断修改后的弯折数s有没有超过设定值，如果没有超过设定值，则转到步骤S02 ;如果超过设定值，则将在步骤S03中记录下来的不同弯折数s所对应的最优尺寸进行比较，并选择其中适应度值最优的尺寸参数及其对应的弯折数s作为最终的弯折线偶极子天线设计结构参数，从而完成设计。
2.根据权利要求I所述的弯折线偶极子RFID标签天线优化设计方法，其特征在于所述步骤(3)中所述苓生成方式为 生成两个随机数,上均匀分布的随机数65 ,再从记忆库中随机选取一个解;^ 若且6 >PAR ,则 =τξ ；若' 全文摘要本发明涉及一种弯折线偶极子RFID标签天线优化设计方法，由于弯折线偶极子天线中决定天线形状的参数主要包括弯折数，以及每一个弯折对应的宽度和高度，而天线形状的变化又会引起天线性能的变化，因此本发明利用HS算法对这几个参数进行优化，并以天线所达到的阻抗和理想值之间的匹配程度作为目标函数，并以目标函数作为性能优劣的评判标准，得出最终的天线结构尺寸参数，即性能最佳的天线弯折数以及每一个弯折对应的宽度和高度本发明的方法避免了人工经验设计带来的不确定性并且HS算法以随机搜索为基础，不需要目标函数的梯度信息，计算简单，收敛速度快和稳定，具有良好全局优化能力。