专利名称：一种近场距离判断装置和方法
技术领域：
本发明涉及射频通信中对射频信号源的距离进行判断的系统和方法，更具体地说，涉及应用于移动支付等需要进行近场距离判断的领域的距离判断装置和方法。
背景技术：
射频通信终端尤其是手机已经普及，通过改造使射频通信终端具备近距离通信功能，以利用手机等射频通信终端实现电子支付等功能的需求越来越强烈。目前已经出现了在手机中的用户识别模块SIM (Subscriber Identity Module)卡上增加射频功能，称为射频SIM，或者在手机主板上增加近距离通信模块来实现手机近距离通信的方法，这种方法的出现使得手机成为一个可以充值、消费、交易及身份认证的超级智能终端，极大地满足市场的迫切需求。其中，基于射频SIM的手机近距离解决方案以其简单、无需更改手机等优势得到广泛的关注，在该方案中，射频SIM采用UHF (Ultra High Frequency，超高频)技术使得射频信号可以从手机中透射出来，从而实现不重新设计手机就可使得手机具备近距离通信功能。但是，不同手机由于内部结构不同造成射频信号透射效果存在很大的差异，透射强的手机其通信距离可能达到几米远的距离，透射弱的手机也可以达到几十厘米。而在移动支付应用中，如公交地铁刷卡，通常都会对于交易距离有严格的要求，以防止用户在不知情的情况下误刷，造成损失。因此，基于射频SIM卡的手机在增加近距离通信功能的同时，还必须能够控制其交易的有效距离范围。现有射频通信技术中，能够实现交易距离控制的有基于IS014443标准的非接触卡技术，该技术通过从读卡器上感应出能量以供非接触卡内部电路工作，实现与读卡器之间的互相通信。该技术所实现的距离控制的基本原理在于射频能量只能在近距离传输，但这种技术难以应用在SIM卡上，这是因为SIM卡的面积很小，且其嵌入在手机内部，读卡器辐射的射频能量无法穿越手机与射频SIM卡，并实现通信。中国专利申请CN200810142624. 1提出了一种控制移动终端射频通信距离的系统和方法，该方法首先通过试验方法在射频控制终端上为每一类型的射频移动终端建立对应近场图谱；利用探测器阵列将检测到的当前射频移动终端的场强与其近场图谱之间通过匹配算法得到用于比较的匹配度；将得到的匹配度与射频控制终端中预先设置好的对应该类型射频移动终端的门限值比较，从而判断当前射频移动终端与射频控制终端的距离是否在规定的范围内。该方法需要事先通过试验等方法获取每一种射频控制终端的近场图谱，应用系统比较复杂。利用相位差来判断信号到达角度和距离的方法很多，如美国专利US2437695就提到采用三个已知位置的接收装置，通过测量各个接收装置之间的相互相位差，利用三角函数公式来精确计算发射源的位置。这种基于三角公式精确计算确定位置的方法也广泛地应用在GPS系统中，一般适用于远场判断。这种方法存在的问题是数学计算量很大，系统要求很高，尤其存在抗干扰能力弱的关键问题当信号源与接收装置之间存在干扰物，出现信号反射的情况，相位将出现180度的反转，这种相位反转将造成信号源定位失效。对于这类问题，GPS系统往往需要采用复杂的防止多径干扰等措施降低其对于系统的影响，这往往带来更为复杂的系统设计要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种近场距离判断装置和方法，在装置简单， 计算量小，不需获取每一种射频控制终端的近场图谱的情况下，实现在UHF频段近距离通信情况下的距离判断。本发明解决上述技术问题的技术方案如下一种近场距离判断装置，包括UHF天线阵列单元、相位差检测单元、距离判断算法运算单元；UHF天线阵列单元与相位差检测单元电连接；相位差检测单元与距离判断算法运算单元电连接；UHF天线阵列单元接收信号源产生的信号，并将信号传送给相位差检测单元进行检测；相位差检测单元进行信号的相位检测并转换成距离判断算法运算单元可以识别的相位信息；距离判断算法运算单元根据接收的相位信息进行计算得到信号源与UHF天线阵列单元之间的距离，并判断该距离是否在预定的范围内。本发明的有益效果是仅通过距离判断算法运算单元对UHF天线阵列单元接收到的UHF频段信号进行相位差的计算和判断，就可以实现射频控制终端和UHF天线阵列单元之间的距离判断，装置简单，计算量小，不需事先获取每一种射频控制终端的近场图谱。在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下限定。进一步，所述UHF天线阵列单元由至少3组天线对组成。进一步，所述UHF天线阵列单元中至少3组天线对彼此线性不相关。采用上述进一步方案的有益效果是，通过至少3组天线对，并且只要有至少3组天线对彼此之间线性不相关，即至少3组天线对中，组成每组天线对的两根天线之间的连线彼此均不互相平行，则可根据线性空间理论，计算出信号源和天线阵列之间的距离和角度， 从而达到距离判断的目的。进一步，所述至少3组天线对处于同一平面内。采用上述进一步方案的有益效果是，可以以3组天线对所处平面作为参考平面， 对信号源的距离进行计算和判断，使得计算简化，节省计算时间，使得结果直观。进一步，所述UHF天线阵列单元中，每组天线对之间相互独立。进一步，所述UHF天线阵列单元中，多组天线对之间共用同一根天线。采用上述进一步方案的有益效果是，可根据不同环境的需要，对天线对的排列形式进行不同的调整，采用每组天线对之间相互独立即天线对之间不共用同一根天线或共用同一根天线的组合方式，使得近场距离判断装置能够得到最好的结果，并可以根据具体情况适当减少天线数量，以节省测量时间和测量成本。进一步，所述至少3组天线对包括至少2组定位天线对和至少1组定高天线对；所有定位天线对中，至少2组定位天线对的中线不互相平行；所有定位天线对的中线与所有定高天线对的两根天线之间的连线或延长线交于一点。采用上述进一步方案的有益效果是，将所有定位天线对的中线与所有定高天线对的两根天线之间的连线或延长线相交的点作为基点，处于基点正上方的信号源使得所有定位天线对接收到的信号的相位差为零，再通过定高天线对接收到的信号的相位差以及天线对的位置关系即可得到信号源与基点之间的距离，简化了计算过程，加快了近场距离判断装置的判断速度。 进一步，所述定位天线对中点的连线成正多边形；所述定高天线对中点的连线成正多边形。进一步，所有定位天线对中的两根天线之间的距离都相等；所有定高天线对中的两根天线之间的距离都相等。采用上述进一步方案的有益效果是，对信号源所发射的信号进行较为简单的统计便可得到准确的结果，当定位天线对所接受信号的相位差为零时，通过定高天线对所接收信号相位差的和值，即可准确的判断信号源与UHF天线阵列单元之间的距离。进一步，所述UHF天线阵列单元所接收信号的频率为300MHz-3000MHz。采用上述进一步方案的有益效果是，与采用UHF技术的射频信号相匹配，可以对频率为300MHz-3000MHz的信号源的距离进行判断。进一步，所述天线对中，两根天线间距离小于所接收信号的一个波长。采用上述进一步方案的有益效果是，只有当两根天线间距离小于近场距离判断装置工作频率所对应的一个波长时，同一天线对中两根天线所接收到同一信号的相位差才能保证小于一个周期，从而准确的得到UHF信号源和UHF天线阵列单元之间的角度和距离。进一步，所述距离判断算法运算单元是一个MCU(Micrc) Controller Unit，微控制器)，或者不带CPU (Central Processing Unit，中央处理器)的专有运算器，或者集成在其他系统中带有运算能力的装置。采用上述进一步方案的有益效果是，本发明所采用的距离判断算法单元的选择更加灵活，可以根据不同情况的需要进行相应的选择，使得本发明近场距离判断装置更具有适应性，同时，因为不用对距离判断算法运算单元进行专门的硬件设计，这样就降低了本发明近场距离判断装置的制造成本。对于相位差检测单元来说，可以采用各类元器件进行组合构成或者采用专用芯片制成，可以同时进行多组天线对相位差的检测或者同一时间内只进行1组天线对相位差的检测。当相位差检测单元同一时间内只进行1组天线对相位差的检测时，距离判断算法运算单元可对相位差检测单元进行控制以切换天线对进行检测，同时距离判断算法运算单元缓存相关相位差信息进行后续处理。这样，本发明所采用的相位差检测单元可以根据不同使用环境的要求，采取不同的构成方式，也可以进行不同方式的信号检测，增强了本发明对不同环境的适应性。本发明还提供了一种近场距离判断方法，包括以下步骤 步骤A 天线阵列单元接收被测信号，并执行步骤B ；
步骤B 根据天线阵列单元接收的被测信号计算被测信号的相位差，并执行步骤C ； 步骤C 判断计算所得到的天线阵列单元中定位天线对所接收信号的相位差是否为零，并执行步骤D ；
步骤D 步骤C中若定位天线对所接收信号的相位差不为零，则执行步骤A，否则执行步骤E;
步骤E 通过定高天线对所接收到的信号的相位差计算信号源的距离，并判断是否在所规定的距离范围内进一步，步骤B中所述的相位差为天线阵列单元中各天线对中的两根天线所接收信号的相位差。进一步，步骤C中通过对多组定位天线对所接收信号的相位差进行判断。进一步，步骤E中通过对多组定高天线对所接收信号的相位差进行计算。采用上述近场距离判断装置和方法，根据定位天线对所接收到的信号相位差的结果调整信号源到理想的测试位置，再根据定高天线对所接收到的信号相位差进行计算，即可计算出信号源与UHF天线阵列单元的距离。本发明无需事先获取每一种射频控制终端的近场图谱，根据UHF天线阵列单元中定位天线对和定高天线对的排列形式不同，仅需修改个别参数即可实现信号源距离的判断，装置设置简单，计算过程简单，计算量小。
图1为本发明近场距离判断装置逻辑连接图2为本发明近场距离判断装置UHF天线阵列单元中信号源和天线对角度关系示意
图3为本发明近场距离判断装置UHF天线阵列单元中信号源和天线对距离关系示意
图4为本发明近场距离判断装置实施例一中UHF天线阵列单元1的天线分布示意图； 图5为根据本发明近场距离判断装置实施例一中UHF天线阵列单元1内定位天线对 (ANT 1, ANT3)、(ANT3, ANT7)、(ANT7, ANT5)、(ANT5, ANT1)所接收信号相位差之和的空间分布图6为根据本发明近场距离判断装置实施例一中当信号发射源距离UHF天线阵列单元1高度为H=12厘米时，UHF天线阵列单元1内定高天线对(ΑΝΤΙ, ANT2)、(ANT3, ANT4)、 (ANT5，ANT6)、(ANT7，ANT8)所接收信号相位差之和的空间分布图7为根据本发明近场距离判断装置实施例一中当信号发射源距离UHF天线阵列单元1高度为H=6厘米时，UHF天线阵列单元1内定高天线对(ΑΝΤΙ, ANT2)、(ANT3, ANT4)、 (ANT5，ANT6)、(ANT7，ANT8)所接收信号相位差之和的空间分布图8为根据本发明近场距离判断装置实施例一中当信号发射源距离UHF天线阵列单元1高度为H=I厘米时，UHF天线阵列单元1内定高天线对(ANT1，ANT2)、(ANT3，ANT4)、 (ANT5，ANT6)、(ANT7, ANT8)所接收信号相位差之和的空间分布图9为根据本发明近场距离判断装置实施例一中定高天线对(ANT1，ANT2)、 (ANT3, ANT4)、(ANT5, ANT6)、(ANT7, ANT8)在UHF天线阵列单元1中心处相位差之和随信号源高度变化的曲线图10为本发明近场距离判断装置实施例二中UHF天线阵列单元1的天线分布示意图； 图11为本发明近场距离判断装置实施例三中UHF天线阵列单元1的天线分布示意图； 图12为本发明近场距离判断方法的流程图。附图中，各标号所代表的部件列表如下
1、UHF天线阵列单元，2、相位差检测单元，3、距离判断算法运算单元。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。如图1所示，本发明近场距离判断装置包括UHF天线阵列单元1、相位差检测单元 2、距离判断算法运算单元3 ；其中，UHF天线阵列单元1与相位差检测单元2电连接，相位差检测单元2与距离判断算法运算单元3电连接，UHF天线阵列单元1由至少3组天线对组成；UHF天线阵列单元1接收信号源产生的信号，并将接收的信号传送给相位差检测单元2 进行检测，相位差检测单元2 对所接收到的信号进行相位检测并转换成距离判断算法运算单元3可以识别的相位信息，距离判断算法运算单元3将接收的相位信息进行计算得到信号源与UHF天线阵列单元1之间的距离。根据需要，相位差检测单元2可以同时进行多组天线对的相位差的检测，也可以只进行1组天线对的相位差的检测，当相位差检测单元2只进行1组天线对的相位差的检测时，距离判断算法运算单元3则可以控制相位差检测单元 2切换天线对进行检测，并缓存相关相位差信息进行后续处理。本发明实现UHF信号源近场距离判断的原理如图2、图3所示。本发明近场距离判断装置的UHF天线阵列单元1所接收信号的频率为300MHz-3000MHz，可检测工作频率在 300MHz-3000MHz之间的UHF信号源的距离；与UHF天线阵列单元1所接收信号的频率对应， 组成UHF天线阵列单元1的各天线对中，两根天线间距离d小于UHF天线阵列单元1所接收信号的频率所对应的一个波长。只有当两根天线间距离d小于UHF天线阵列单元1所接收信号的频率所对应的一个波长时，同一天线对中两根天线所接收到同一信号的相位差才能保证小于一个周期，从而准确的得到UHF信号源和UHF天线阵列单元1之间的距离。图2为本发明近场距离判断装置UHF天线阵列单元中信号源和天线对角度关系示
意图。如图2所示，天线对中两根天线ANTl和ANT2之间距离为d ,频率波长y ,且天线对
满足关系d < F ,信号源为X，信号源X到天线对的距离即信号源到天线ANTl和ANT2之间
中点的距离为S (ANT, X)，信号源X到天线ANTl和ANT2的距离分别为S (ANT 1, X)和S (ANT 2，X)，信号源X和天线对的角度即信号源X到天线ANTl和ANT2之间中点的连线和两根天
线之间连线的角度为θ。两根天线ANTl和ΑΝΤ2接收信号源X发出信号的相位差为
Δ0 二 2 n(S (ΑΝΤΙ ,Χ)-S (ΑΝΤ2,Χ)) /γ
其中，ΔΘ的大小依赖于θ
当θ = 90c时，信号源位于天线ANTl和ANT2的中线位置Xl上，此时其相位差为 ΔΘ=0 ；、丨'Iθ = Oc时，信号源位于天线ANTl和ΑΝΤ2的延长线位置X 2上，当d <+ γ时，其相位
差为 A0=2to1/y。 当θ从O2变化到90e时，如果距离S(ANT，X)保持不变，则可以简单的计算出，其相位差从2iid/Y到0单调减小。图3是本发明近场距离判断装置UHF天线阵列单元中信号源和天线对距离关系示意图。如图3所示，天线对中两根天线ANTl和ANT2之间距离为d ,频率波长γ ,且天线对
满足关系Cl < y ,信号源为X，信号源X到天线对的距离即信号源到天线ANTl和ANT2之间
中点的距离为S (ANT, X)，信号源X到天线ANTl和ANT2的距离分别为S (ANT 1, X)和S (ANT 2，X)，信号源X和天线对的角度即信号源X到天线ANTl和ANT2之间中点的连线和两根天
线之间连线的角度为θ。两根天线ANTl和ΑΝΤ2接收信号源X发出信号的相位差为
A0=2n(S(ANTi;X)-S(ANT2,X))/i'
当0不为时,且当θ不变时，信号源在位置Xl和位置Χ2的相位差分别为
Δ (Χ1)=2π(5(ΑΝΤ1;Χ1)-5(ΑΝΤ2>Χ1))/γ AO(X2)=2ii(S(ANTl,X2)-S(ANT2,X2))/y
当5(及!^1^1)>5(為1 ^2)时，可以简单的计算出厶(3(乂1)>40(乂2)。当S(ANT,X)=0时，信号源位于天线ANT 1和ANT2之间连线的中点上，此时其相位差Δ0=Ο。由Δ0(Χ1)>ΔΘ(Χ2)可知，当S(ANTJ)从O逐渐变大时，即信号源与天线ANTl
和ΑΝΤ2之间连线及其延长线的距离逐渐变大时，相位差Δ0也随之变大。根据天线ANTl和ΑΝΤ2所接收到的信号的相位差，以及两根天线间距离d和角度 θ即可计算得到信号源和天线对之间的距离S(ANT1，X)。本发明中，具体的距离判定算法和天线阵列中天线对的分布方式密切相关。UHF天线阵列单元1中，当天线对数目比较多，相互之间满足一定规律的分布时，则可以采用简单的统计不同组天线对所接收信号的相位差的和值方式进行距离判断，这样就大大简化了计算过程。当UHF天线阵列单元1中只有3组彼此线性不相关的天线对时，既每组天线对中的两根天线之间的连线彼此均不互相平行时，则需要根据天线对的相对位置，进行教为复杂的方程组运算，才能判断信号源与UHF天线阵列单元1的距离。算法可以对天线对进行分组，采用求和、加权和均方差，甚至是解方程组等数学方法，或者综合利用这些方法进行判断。以下通过具体实施例对本发明的原理和特征进行进一步描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例一
图4为本发明近场距离判断装置实施例一中UHF天线阵列单元1的天线分布示意图。 如图4所示，UHF天线阵列单元1中包括处于同一平面内的4组定位天线对(ANT1，ANT3)、 (ANT3, ANT7)、(ANT7, ANT5)、(ANT5, ΑΝΤΙ)和 4 组定高天线对(ANT 1, ΑΝΤ2)、(ΑΝΤ3, ΑΝΤ4)、 (ΑΝΤ5, ΑΝΤ6)、(ΑΝΤ7, ΑΝΤ8)；天线 ANT1、ΑΝΤ3、ΑΝΤ5、ΑΝΤ7 分别同时供 2 组定位天线对和 1 组定高天线对使用，天线ΑΝΤ2、ΑΝΤ4、ΑΝΤ6、ΑΝΤ8分别仅供1组定高天线对使用；定位天线对 (ANT 1, ΑΝΤ3)、(ΑΝΤ3, ΑΝΤ7)、(ΑΝΤ7, ΑΝΤ5)、(ΑΝΤ5, ANT1)的两根天线之间连线的中线，与定高天线对(ΑΝΤΙ, ΑΝΤ2)、(ΑΝΤ3, ΑΝΤ4)、(ΑΝΤ5, ΑΝΤ6)、(ΑΝΤ7, ΑΝΤ8)的两根天线之间连线的延长线相交于一点；定位天线对(ANT1，ANT3)、(ANT3，ANT7)、(ANT7，ANT5)、(ΑΝΤδ,ΑΝΤΙ)中点的连线成正四边形，定高天线对(ΑΝΤΙ, ΑΝΤ2)、(ΑΝΤ3, ΑΝΤ4)、(ΑΝΤ5, ΑΝΤ6)、(ΑΝΤ7, ΑΝΤ8) 中点的连线成正四边形；定位天线对(ANT1，ΑΝΤ3)、(ΑΝΤ3, ΑΝΤ7)、(ΑΝΤ7, ΑΝΤ5)、 (ΑΝΤδ,ΑΝΤΙ)中两根天线间距离 d(ANTl，ANT3) 、d (ANT3, ANT7)、d (ANT7, ANT5)、 d (ANT5, ΑΝΤΙ)都相等；定高天线对(ANT 1, ΑΝΤ2)、(ΑΝΤ3, ΑΝΤ4)、(ΑΝΤ5, ΑΝΤ6)、(ΑΝΤ7, ΑΝΤ8) 中两根天线间距离 d (ANT 1, ANT2)、d (ANT3, ANT4)、d (ANT5, ANT6)、d (ANT7, ANT8)都相等。根据几何原理，当定位天线对(ANT1，ANT3)、(ANT3,ANT7)、(ANT7, ANT5)、 (ΑΝΤδ,ΑΝΤΙ)所接收信号的相位差稳定并同时趋于零的时候，可以确定信号发射源位置处于UHF天线阵列单元1的正中上方，此时根据几何原理可知，定高天线对(ΑΝΤ1，ΑΝΤ2)、 (ΑΝΤ3，ΑΝΤ4)、(ΑΝΤ5，ΑΝΤ6)、(ΑΝΤ7, ΑΝΤ8)所接收信号的相位差与信号发射源的高度成反比，再根据其相位差的大小即可计算出信号发射源的高度，并判断该高度是否在预定的范围内。图5为根据本发明近场距离判断装置实施例一中UHF天线阵列单元1内定位天线对(ΑΝΤΙ, ΑΝΤ3)、(ΑΝΤ3, ΑΝΤ7)、(ΑΝΤ7, ΑΝΤ5)、(ΑΝΤ5, ANT1)所接收信号相位差之和的空间分布图。如图5所示，当信号发射源处于UHF天线阵列单元1的中间正上方时，定位天线对 (ANT 1, ΑΝΤ3)、(ΑΝΤ3, ΑΝΤ7)、(ΑΝΤ7, ΑΝΤ5)、(ΑΝΤ5, ANT1)所接收信号相位差之和趋于零。如图6、图7、图8所示，当信号发射源距离UHF天线阵列单元1的高度从Η=12厘米经Η=6厘米到H=I厘米时，当信号源处于UHF天线阵列单元1的中心正上方时，也就是图 5 中当定位天线对(ΑΝΤ1，ΑΝΤ3)、(ΑΝΤ3, ΑΝΤ7)、(ANT 7，ANT 5)、(ΑΝΤδ,ΑΝΤΙ)所接收信号相位差之和趋于零时,定高天线对(ΑΝΤΙ, ΑΝΤ2)、(ΑΝΤ3, ΑΝΤ4)、(ΑΝΤ5, ΑΝΤ6)、(ΑΝΤ7, ΑΝΤ8)所接收信号相位差之和的变化是由小变大的，即在UHF天线阵列单元1中心位置时，定高天线对(ΑΝΤΙ, ΑΝΤ2)、(ΑΝΤ3, ΑΝΤ4)、(ΑΝΤ5, ΑΝΤ6)、(ΑΝΤ7, ΑΝΤ8)所接收信号的相位差之和是随着信号源高度的降低而增加的。
图9反映了处于UHF天线阵列单元1中心位置时，定高天线对(ANT1，ANT2)、 (ANT3, ANT4)、(ANT5, ANT6)、(ANT7, ANT8)所接收信号的相位差之和与信号发射源高度之间的变化关系。根据这一关系，即可通过定高天线对(ANT1，ANT2)、(ANT3，ANT4)、 (ANT5, ANT6)、(ANT7, ANT8)所接收信号的相位差之和求出信号发射源与UHF天线阵列单元 1之间的距离，并进一步判断该距离是否为系统所要求的距离。相位差检测单元2对如图4所示的UHF天线阵列单元1接收到的信号进行相位检测，并转换成距离判断算法运算单元3可以识别的相位信息，距离判断算法运算单元3对接收到的相位信息进行相应的计算，得到信号源与UHF天线阵列单元1之间的距离。实施例二
图10为本发明近场距离判断装置实 施例二中UHF天线阵列单元1的天线分布示意图。如图10所示，UHF天线阵列单元1中包括处于同一平面内的3组定位天线对 (ANT3, ANT4)、(ANT7, ANT8)、(ANT9, ANT10)和 3 组定高天线对(ANT 1, ΑΝΤ2)、(ΑΝΤ5, ΑΝΤ6)、 (ΑΝΤ11, ΑΝΤ12)；天线 ΑΝΤ3、ΑΝΤ4、ΑΝΤ7、ΑΝΤ8、ΑΝΤ9、ANTlO 分别仅供 1 组定位天线对使用，天线ΑΝΤΙ、ΑΝΤ2、ΑΝΤ5、ΑΝΤ6、ANTlU ANT12分别仅供1组定高天线对使用；定位天线对(ΑΝΤ3，ΑΝΤ4)、(ΑΝΤ7，ΑΝΤ8)、(ΑΝΤ9, ΑΝΤΙΟ)的两根天线之间连线的中线，与定高天线对(ΑΝΤ1，ΑΝΤ2)、(ΑΝΤ5，ΑΝΤ6)、(ΑΝΤΙ 1, ANT12)的两根天线之间连线的延长线相交于一点；定位天线对(ΑΝΤ3，ΑΝΤ4)、(ΑΝΤ7，ΑΝΤ8)、(ΑΝΤ9, ΑΝΤΙΟ)中点的连线成正三角形， 定高天线对(ΑΝΤ1，ΑΝΤ2)、(ΑΝΤ5，ΑΝΤ6)、(ΑΝΤΙ 1, ANT12)中点的连线成正三角形；定位天线对(ΑΝΤ3, ΑΝΤ4)、(ΑΝΤ7, ΑΝΤ8)、(ΑΝΤ9, ΑΝΤ10)中两根天线间距离 d (ANT3, ANT4)、 d (ANT7, ANT8)、d (ANT9, ANT10)都相等；定高天线对(ΑΝΤ1，ΑΝΤ2)、(ΑΝΤ5，ΑΝΤ6)、 (ΑΝΤΙ 1, ANT12)中两根天线间距离 d(ANTl, ΑΝΤ2)、d(ANT5, ANT6), d(ΑΝΤΙ 1, ANT12)都相寸。当信号源处于图10所示UHF天线阵列单元1的中心正上方时，定位天线对 (ΑΝΤ3，ΑΝΤ4)、(ΑΝΤ7，ΑΝΤ8)、(ΑΝΤ9, ΑΝΤ10)所接收信号的相位差稳定并同时趋于零；根据几何原理，此时定高天线对(ΑΝΤΙ, ΑΝΤ2)、(ΑΝΤ5, ΑΝΤ6)、(ΑΝΤ11, ANT12)所接收信号的相位差随信号源与UHF天线阵列单元1之间距离的减小而增大。根据定高天线对(ΑΝΤ1，ΑΝΤ2)、 (ΑΝΤ5, ΑΝΤ6)、(ΑΝΤ11, ΑΝΤ12)所接收信号的相位差的大小即可求出信号发射源与UHF天线阵列单元1之间的距离，并进一步判断该距离是否为系统所要求的距离。相位差检测单元2对如图10所示的UHF天线阵列单元1接收到的信号进行相位检测，并转换成距离判断算法运算单元3可以识别的相位信息，距离判断算法运算单元3对接收到的相位信息进行相应的计算，得到信号源与UHF天线阵列单元1之间的距离，并判断该距离是否在预定的范围内。实施例三
图11为本发明近场距离判断装置实施例三中UHF天线阵列单元1的天线分布示意图。如图11所示，UHF天线阵列单元1中包括4组定位天线对(ΑΝΤ3，ΑΝΤ4)、(ΑΝΤ7, ΑΝΤ8)、 (ΑΝΤ9, ΑΝΤΙΟ)、(ΑΝΤ13, ΑΝΤ14)和 4 组定高天线对(ΑΝΤ1，ΑΝΤ2)、(ΑΝΤ5, ΑΝΤ6)、 (ΑΝΤΙ 1, ANT12)、(ΑΝΤ15, ΑΝΤ16)；天线 ΑΝΤ3、ΑΝΤ4、ΑΝΤ7、ΑΝΤ8、ΑΝΤ9、ΑΝΤΙΟ、ΑΝΤ13、ΑΝΤ14 分别仅供 1 组定位天线对使用，天线 ANTl、ΑΝΤ2、ΑΝΤ5、ΑΝΤ6、ANTl 1、ΑΝΤ12、ΑΝΤ15、ANT16 分别仅供1组定高天线对使用；定位天线对(ΑΝΤ3，ΑΝΤ4)、(ΑΝΤ7, ΑΝΤ8)、(ΑΝΤ9, ΑΝΤ10)、(ANT 13, ANT14)的两根天线之间连线的中线，与定高天线对(ΑΝΤΙ, ANT2)、(ANT5, ANT6)、 (ANT11, ANT12)、(ANT15，ANT16)的两根天线之间连线的延长线相交于一点；定位天线对 (ANT3，ANT4)、(ANT7, ANT8)、(ANT9，ΑΝΤΙΟ)、(ΑΝΤ13, ΑΝΤ14)中点的连线成正四边形，定高天线对(ΑΝΤΙ, ANT2)、(ΑΝΤ5, ΑΝΤ6), (ΑΝΤ11, ANT12)、(ΑΝΤ15, ΑΝΤ16)中点的连线成正四边形；定位天线对(ΑΝΤ3，ΑΝΤ4)、(ΑΝΤ7, ΑΝΤ8)、(ΑΝΤ9，ΑΝΤΙΟ)、(ΑΝΤ13, ΑΝΤ14)中两根天线间距离 d(ANT3, ANT4)、d (ANT7, ANT8)、d (ANT9, ΑΝΤΙΟ)、d (ANT 13, ANT14)都相等；定高天线对(ΑΝΤΙ, ANT2)、(ΑΝΤ5, ΑΝΤ6)、(ANTll, ΑΝΤ12)、(ΑΝΤ15，ΑΝΤ16)中两根天线间距离 d(ANTl, ΑΝΤ2)、d(ANT5, ANT6)、d(ANTll, ANT12)、d(ANT15, ANT16)都相等。当信号源处于图11所示UHF天线阵列单元1的中心正上方时，定位天线对 (ANT3, ANT4)、(ANT7, ANT8)、(ANT9, ANT10)、(ANT 13, ANT14)所接收信号的相位差稳定并同时趋于零；根据几何原理，此时定高天线对(ANT1，ANT2)、(ANT5，ANT6)、(ANTll, ANT12)、 (ANT15, ANT16)所接收信号的相位差随信号源与UHF天线阵列单元1之间距离的减小而增大。根据定高天线对(ΑΝΤΙ, ANT2)、(ΑΝΤ5, ΑΝΤ6), (ANTll, ANT12)、(ANT15, ANT16)所接收信号的相位差的大小即可求出信号发射源与UHF天线阵列单元1之间的距离，并进一步判断该距离是否为系统所要求的距离。相位差检测单元2对如图11所示的UHF天线阵列单元1接收到的信号进行相位检测，并转换成距离判断算法运算单元3可以识别的相位信息，距离判断算法运算单元3对接收到的相位信息进行相应的计算，得到信号源与UHF天线阵列单元1之间的距离，并判断该距离是否在预定的范围内。相位差检测单元2可以采用各类元器件进行组合构成，也可以采用专用芯片制成，其可以同时进行多组天线对的相位差信息，也可以同一时间只检测一组天线对的相位差信息。当相位差检测单元2只能检测一组天线对相位差信息时，距离判断算法运算单元 3拥有一定的控制能力和信息缓存能力，可以控制相位差检测单元2切换天线对进行检测， 并缓存相关相位差信息进行后续处理。根据不同环境和不同场合的需要，可以使用一个MCU或者不带CPU的专有运算器或者集成在其他系统中带有运算能力的装置作为距离判断算法运算单元3，这样，因为不需要对距离判断算法运算单元3进行专门的硬件设计，从而降低了本发明近场距离判断装置的制造成本，同时在距离判断算法运算单元3的载体选择上也更加灵活。本发明还提供了一种近场距离判断方法，如图12所示，该方法包括 步骤A 天线阵列单元接收被测信号，并执行步骤B ；
步骤B 根据天线阵列单元接收的被测信号计算被测信号的相位差，并执行步骤C ； 步骤C 判断计算所得到的天线阵列单元中定位天线对所接收信号的相位差是否为零，并执行步骤D ；
步骤D 步骤C中若定位天线对所接收信号的相位差不为零，则执行步骤A，否则执行步骤E;
步骤E 通过定高天线对所接收到的信号的相位差计算信号源的距离，并判断是否在所规定的距离范围内。至此，完成了一次信号源的距离判断过程。在使用本发明提供的近场距离判断方法的过程中，为了快速并准确的判断信号源的距离，本方法还可进行以下限定
在步骤B中，仅计算天线阵列单元中每组天线对中两根天线所接收信号的相位差，对于不属于同一组天线对的两根天线不进行相位差的计算，从而减少对相位差的计算量，提高本方法的判断速度；在步骤C中，对多组定位天线对所接收信号的相位差进行判断，以保证信号源定位的准确；在步骤E中，对多组定高天线对所接收信号的相位差进行计算，以保证对信号源距离判断的准确。 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种近场距离判断装置，其特征在于包括UHF天线阵列单元、相位差检测单元、距离判断算法运算单元；UHF天线阵列单元与相位差检测单元电连接；相位差检测单元与距离判断算法运算单元电连接；UHF天线阵列单元接收信号源产生的信号，并将信号传送给相位差检测单元进行检测；相位差检测单元进行信号的相位检测并转换成距离判断算法运算单元可以识别的相位信息；距离判断算法运算单元根据接收的相位信息进行计算得到信号源与UHF天线阵列单元之间的距离，并判断该距离是否在预定的范围内。
2.根据权利要求1所述的近场距离判断装置，其特征在于所述UHF天线阵列单元由至少3组天线对组成。
3.根据权利要求2所述的近场距离判断装置，其特征在于所述UHF天线阵列单元中至少3组天线对彼此线性不相关。
4.根据权利要求3所述的近场距离判断装置，其特征在于所述至少3组天线对处于同一平面内。
5.根据权利要求4所述的近场距离判断装置，其特征在于所述UHF天线阵列单元中， 每组天线对之间相互独立。
6.根据权利要求4所述的近场距离判断装置，其特征在于所述UHF天线阵列单元中， 多组天线对之间共用同一根天线。
7.根据权利要求4所述的近场距离判断装置，其特征在于所述至少3组天线对包括至少2组定位天线对和至少1组定高天线对；所有定位天线对中，至少2组定位天线对的中线不互相平行；所有定位天线对的中线与所有定高天线对的两根天线之间的连线或延长线交于一点。
8.根据权利要求7所述的近场距离判断装置，其特征在于所述定位天线对中点的连线成正多边形；所述定高天线对中点的连线成正多边形。
9.根据权利要求8所述的近场距离判断装置，其特征在于所有定位天线对中的两根天线之间的距离都相等；所有定高天线对中的两根天线之间的距离都相等。
10.根据权利要求2所述的近场距离判断装置，其特征在于所述UHF天线阵列单元所接收信号的频率为300MHz-3000MHz。
11.根据权利要求10所述的近场距离判断装置，其特征在于所述天线对中，两根天线间距离小于所接收信号的一个波长。
12.根据权利要求1所述的近场距离判断装置，其特征在于所述距离判断算法运算单元为MCU，或者不带CPU的专有运算器，或者集成在其他系统中带有运算能力的装置。
13.—种近场距离判断方法，其特征在于，包括以下步骤步骤A 天线阵列单元接收被测信号，并执行步骤B ；步骤B 根据天线阵列单元接收的被测信号计算被测信号的相位差，并执行步骤C ；步骤C 判断计算所得到的天线阵列单元中定位天线对所接收信号的相位差是否为零，并执行步骤D ；步骤D 步骤C中若定位天线对所接收信号的相位差不为零，则执行步骤A，否则执行步骤E;步骤E 通过定高天线对所接收到的信号的相位差计算信号源的距离，并判断是否在所规定的距离范围内。
14.根据权利要求13所述的近场距离判断方法，其特征在于步骤B中所述的相位差为天线阵列单元中各天线对中的两根天线所接收信号的相位差。
15.根据权利要求13所述的近场距离判断方法，其特征在于步骤C中通过对多组定位天线对所接收信号的相位差进行判断。
16.根据权利要求13所述的近场距离判断方法，其特征在于步骤E中通过对多组定高天线对所接收信号的相位差进行计算。
全文摘要
本发明涉及一种近场距离判断装置和方法，用于UHF信号源的近场距离判断。本发明通过UHF天线阵列单元接收UHF信号源发出的信号，通过相位差检测单元对所接收的信号进行相位差检测，并转换为距离判断算法运算单元可以识别的相位信息，距离判断算法运算单元对所接收的相位信息进行计算得到信号源与UHF天线阵列单元之间的距离。其中，UHF天线阵列单元由至少3组天线对组成，并且满足一定条件的规则分布，大大简化了距离判断算法运算单元的计算。
文档编号G01S11/02GK102193091SQ20101012134
公开日2011年9月21日 申请日期2010年3月10日 优先权日2010年3月10日
发明者余运波, 彭波, 章伟 申请人:国民技术股份有限公司