一种基于序列二次规划算法的天线结构设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及天线优化领域，具体涉及一种基于序列二次规划算法的天线结构设计 方法。
【背景技术】
[0002] 无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID)技术是从二十世纪九十 年代兴起的一种基于射频原理实现的非接触式自动识别技术。与目前常用的其他自动识别 技术相比，RFID具有精度高，如条形码、磁卡、接触式IC卡等，其具有体积小、形状多样、抗 污染能力、耐久性好、穿透性好、可重复使用和安全性高等优点。随着科学的进步，RFID产 品已被广泛应用于社会、经济、国防等众多领域，例如高速公路收费系统、物流与供应链管 理系统、门禁系统、防伪和安全控制系统、流水线生产自动化、畜牧管理等。RFID技术将成为 未来信息社会建设的一项重要技术。
[0003] 射频识别系统（RFID) -般由阅读器（P⑶）和应答器（PICC)两部分组成，如图1 所示。其中，阅读器一般作为计算机终端，用来实现对RFID的数据读写和储存，包括控制单 元、射频模块和天线；而应答器是射频识别系统真正的数据载体，通常应答器由耦合元件以 及微电子芯片组成。在阅读器的响应范围之外，应答器处于无源状态，只有当应答器处于阅 读器的响应范围之内，才会通过耦合单元接受来自阅读器的射频电源，为其电子芯片的工 作提供能量。因此，实现耦合的天线，在RFID系统中具有关键作用，RFID天线的性能直接 决定着整个系统的性能，故天线的设计直接关系到系统的通信距离和数据传输的可靠性。
[0004] 然而，对于标签天线的研究，国内存在着技术与生产相对滞后的局面。由于标签面 积、基底材料和天线制造工艺的限制，天线的感应能力受到影响，而天线的各个结构参数也 将影响天线的性能。对于标签天线的研究，国内外已经作了不少工作，但涉及的内容主要是 超高频及微波状态下，进行天线的形状设计、电磁场分析、天线作为集成电感Q值的提高和 各电气参数的提取。而对天线设计也主要借鉴国外的设计图案，但这种方式根本无法体现 出标签天线的最佳性能。
[0005] 特别是针对13. 56MHz频段的标签天线，国外的天线生产商基本是采用经验设计 方法，即设计者往往都是根据经验设计出结构尺寸。在设计完成之后，才能计算出天线的电 感参数，而这个设计方案对于某些参数，如感应电压、品质因子、印刷耗材最省等方面未必 是最优的，甚至不符合设计要求。因此为达到完全准确的天线电感设计，天线的设计还需进 行多次重新设计才能完成，而由此方法设计完成的天线仅为一具体实例，且其结构设计更 是一个将天线具体结构尺寸、电阻、电感、电容、谐振效率等多个相关联参数整合的复杂的 计算过程。
[0006] 基于上述状况，如何改变标签天线在设计与生产方面的劣势、缩短天线的设计时 间、提高设计效率、降低天线的成本、提高天线的性能是非常重要的课题研究。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供基于序列二次规 划算法的一种天线结构设计方法，提高天线结构设计的效率。
[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于序列二次规划算法的 天线结构设计方法，其特征在于，包括步骤：
[0009] 获取射频识别系统中的相关参数，根据该相关参数设置天线结构参数，且将该天 线结构参数作为优化变量，该相关参数包括芯片参数、天线限制参数和工艺参数；
[0010] 构建基于优化变量的目标函数和约束条件，采用序列二次规划算法进行求解，使 目标函数逐步收敛到最优解处，并输出天线结构参数的优化结果。
[0011] 其中，较佳方案是：根据该相关参数建立关于天线结构参数的天线结构方程式，且 将该天线结构参数作为天线结构方程式中的优化变量。
[0012] 其中，较佳方案是：采用库恩塔克条件构建基于天线结构方程式的最优化解的目 标函数和约束条件。
[0013] 其中，较佳方案是：采用序列二次规划算法将天线结构方程式形成若干基于拉格 朗日函数二次近似的二次规划子问题。
[0014] 其中，较佳方案是：采用序列二次规划算法在拟牛顿法更新过程中，对所述库恩塔 克方程累积二阶信息，保证拟牛顿法的超线性收敛。
[0015] 其中，较佳方案是：该目标函数为天线线圈的感应电压最大化，并根据目标函数对 天线结构参数进行优化。
[0016] 其中，较佳方案是：该目标函数为天线线圈的品质因子最大化，并根据目标函数对 天线结构参数进行优化。
[0017] 其中，较佳方案是：根据输出的天线结构参数的优化结果绘制天线结构图。
[0018] 其中，较佳方案是：该天线限制参数包括天线线圈形状的选择和天线线圈尺寸的 限制。
[0019] 其中，较佳方案是：该天线结构参数包括天线线圈的外圈尺寸、线圈宽度、线圈间 隙和线圈匝数。
[0020] 本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过设计一种基于序列二次规 划算法的天线结构设计方法，根据射频识别系统中的相关参数计算出最优化的天线结构 参数，改变射频标签天线在设计与生产方面的劣势，以及缩短天线的设计时间、提高设计效 率、降低天线的成本、提高天线的性能，使快速设计低成本和更容易设计出高性能的天线。
【附图说明】
[0021] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0022] 图1是现有技术射频识别系统的结构示意图；
[0023] 图2是本发明天线结构设计的方法框图；
[0024] 图3是本发明矩形线圈的结构示意图；
[0025] 图4是本发明圆形线圈的结构示意图；
[0026] 图5是本发明天线结构设计的流程图。
【具体实施方式】
[0027] 现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。
[0028] 如图2所示，本发明提供一种天线结构设计方法的优选实施例。
[0029] -种基于序列二次规划算法的天线结构设计方法，包括步骤：
[0030] 取射频识别系统中的相关参数，根据该相关参数设置天线结构参数，且将该天线 结构参数作为优化变量，该相关参数包括芯片参数、天线限制参数和工艺参数；
[0031] 建基于优化变量的目标函数和约束条件，采用序列二次规划算法进行求解，使目 标函数逐步收敛到最优解处，并输出天线结构参数的优化结果。
[0032] 在本实施例中，射频识别系统包括阅读器和应答器，其中应答器包括天线线圈和 与天线线圈连接的无源数据存储器，天线线圈产生的感应电压用于给无源数据存储器供 电。为了显著提高电路的工作效率，天线线圈的电感通常和无源数据存储器的电容组成并 联振荡回路，其谐振频率应于射频识别系统的工作频率相一致。故本射频识别系统中的相 关参数具体包括：
[0033] 1、芯片参数，其包括芯片型号、芯片工作电压、芯片电容、芯片电阻和天线线圈的 电感L ;
[0034] 2、天线限制参数，其包括天线线圈形状的选择和天线线圈尺寸的限制，参考图3 和图4,天线线圈形状主要包括一些规则形状的螺旋线圈，如矩形天线线圈和圆形线圈；天 线线圈尺寸的限制是指天线线圈最外圈的尺寸限制，优选的，70mm, b < 70mm，其中a为 矩形天线线圈最外圈长度的尺寸，b为矩形天线线圈最外圈宽度的尺寸，或者70mm，其 中d为圆形天线线圈最外圈直径的尺寸。
[0035] 3、工艺参数，其包括工艺指数p和天线线圈加工厚度t，工艺指数p如下表1所述， 工艺指数P的取值是与天线加工的方