CN101807951B - 无线传感网络通信距离扩展器及扩展方法 - Google Patents

Abstract

无线传感网络通信距离扩展器，通信距离扩展器串接在无线传感网络节点的天线端口和外接天线之间，由一组配对的半导体高频切换开关模组、开关切换控制信号提取模块、射频发射通道和射频接收通道组成；所述配对的半导体高频开关模组包括进行发射通道和接收通道的开关切换的半导体开关和控制半导体开关的电路；开关切换的控制信号提取模块和传感器节点模块的天线端口相连接，用于跟踪收发时隙，提取接收或发射通道开关切换控制信号；射频发射通道设有功率放大模块，构成发射通道的功率增强部分；射频接收通道上设有二分之一波长的微带传输线结构。本发明扩展了无线传感网络通信距离，易于安装维护；不影响通信数据带宽，成本低。

Description

无线传感网络通信距离扩展器及扩展方法

一、技术领域：

本发明涉及无线传感网络通信距离扩展器的设计和方法，具体涉及控制信号提取技术和类光学增透膜原理的接收通道设计以及相关的体系结构。

二、背景技术：

无线传感网络节点通常具有相邻节点之间通信距离小的特点，典型商业节点之间的极限通信距离仅有两三百米左右。在需要较长通信距离的场合下，可以在现有网络基础上使用数据中转的方法。但是这种方法会导致有效数据带宽下降，同时由于网络中存在着相当数量的中继节点，会使得系统的安装和维护成本升高。而使用通信距离扩展器，则可以在不降低有效数据带宽的前提下，提升无线传感网络节点的通信距离。

而现有的常规无线通信距离扩展器技术方案存在着一定的局限性，实用中往往达不到预期的距离扩展效果。

在常规的无线通信距离扩展器或射频信号增强器中，在接收通道上均会使用低噪声放大器。这种方案虽然能够在一定程度上增强接收信号电平，但却大大压低了接收通道的动态范围上限。而在实际的无线传感网络中，信号接收电平往往随着节点环境和间隔距离的变动发生很大波动，常常超出接收通道的动态范围上限，导致通信错误。另一方面，实际环境中较强的带外干扰辐射也往往会导致低噪声放大器的失真。但是，如果不使用低噪声放大器，则要面临较大的插入损耗问题。另外，在常规的射频信号增强器方案中，通过对射频发射信号进行包络检波的方式来获得收发切换信号。这种方案的可靠性依赖于发射信号功率的强度和调制波形包络，如果发射信号功率较弱，会导致收发切换不能严格同步，进而导致通信错误。由于以上两个主要原因，在实践中使用常规的射频信号增强器方案往往达不到预期的距离提升效果。

三、发明内容：

本发明的目的在于提出一种无线传感网络通信距离扩展器及扩展方法，为采用TDD(Time Division Duplex，时分双工)方式的智能无线传感网络提供一种安装便捷、不影响原有网络性能，并且使用灵活的通信距离扩展器及相关方法。

本发明的目的是这样实现的：无线传感网络通信距离扩展器，通信距离扩展器串接在无线传感网络(传感器)节点的天线端口和外接天线之间，它由一组配对的半导体高频切换开关模组、开关切换控制信号提取模块、射频发射通道和基于类光学增透膜原理的射频接收通道组成。所述配对的半导体高频开关模组包括进行发射通道和接收通道的开关切换的半导体开关和控制半导体开关的电路，并保证低插入损耗和发射通道和接收通道的高隔离度；开关切换的控制信号提取模块和传感器节点模块的天线端口相连接，用于跟踪收发时隙，提取接收或发射通道开关切换控制信号；射频发射通道设有功率放大模块，构成发射通道的功率增强部分，用于增强无线传感网络节点的发射信号；射频接收通道上设有二分之一波长的微带传输线结构。利用电磁波在传播媒质交界处的干涉作用，削弱反射电磁波能量，增强入射电磁波能量，从而最大限度地降低插入损耗；采用的是一种类光学增透膜原理的射频信号输入增强结构。

本发明根据无线传感器网络节点天线端口的发射信号，按照射频信道的发射和接收时隙要求，完成发射通道和接收通道的分时切换。在应用中，将本发明装置串接在无线传感器网络节点天线端口和外接天线之间，即可实现增强发射功率和降低接收通道插入损耗的效果，从而达到扩展通信距离的目的。

无线传感网络通信距离扩展方法，射频接收通道上设有二分之一波长的微带传输线结构；在接收射频信号时，利用电磁波在传播媒质交界处的干涉作用，削弱反射电磁波能量，增强入射电磁波能量，从而最大限度地降低插入损耗；

采用发射通道功率增强，同时取消接收通道低噪声放大器；有利于提升发射信号功率，并且不降低原来系统接收通道动态范围的上限；

本发明改进还包括，在收发时隙控制信号提取电路中，采用了四分之一波长传输线隔离方法，通过对发射控制信号的提取，获得接收与发射的时隙信号，并控制切换开关完成发射通道和接收通道之间的切换。

本发明的有益效果是：大大扩展了无线传感网络通信距离，且不改变原有系统的工作方式，易于安装和维护；在有效扩展无线网络节点的通信距离时不影响通信数据带宽；在接收状态下，扩展器发射通道放大器处于关闭状态，因而功耗极低；采用了传输线结构，和采用滤波器结构搭配低噪声放大器的常规方案相比，本发明的电路简洁可靠，信号的附加传输损耗小。可以有效降低电路工艺要求和制造成本。

四、附图说明：

图1是本发明的系统构成和连接关系框图；

图2是发射通道构成框图；

图3是接收通道构成框图；

图4是开关切换控制信号提取模块的构成框图；

图5是本发明的距离扩展实验结果图例即Imote2无线线通信曲线图；

五、具体实施方案：

下面结合附图和具体实例对本发明做详细阐述，但本方法应用范围不限于此例。

本发明在接收通道中采用了类光学增透膜原理的射频电路传输结构，其实现结构见图1。本发明的机理类似下述在光学镜头上，通常会涂一层透明的薄膜，称为增透膜，又称防反光镀膜或蔡司镀膜。光波是电磁波，射入镜头时，有一部分光会被空气和增透膜之间的分界面反射，同时也会在增透膜和镜头之间的分界面被反射，通过控制增透膜的折射率和厚度，可以使特定频率的光波在两个分界面上发生干涉，从而达到增强透射率、抑制反射率的效果。

本发明的机理采用与此类似的概念，使用传输线来实现低插入损耗的接收通道。不同的是，光学增透膜使用四分之一波长的传输长度，本发明使用二分之一波长的传输长度。

在接收通道中，射频信号通过射频开关4入射，然后通过二分之一波长传输线，由射频开关5输出。由于射频开关的阻抗和传输线的阻抗不一致，就会在两个交界面上发生反射，若不加控制，这种反射会导致接收信号能量的损失，影响通信距离。使用二分之一波长的传输线长度，可以使得传输线两端的反射信号得到抑制。这种方法对传输线本身的阻抗没有要求，因此可以有效地降低电路的制造成本，并能增强电路的可靠性。

射频开关的隔离度是有限的，因此在发射通道工作时，部分射频能量会泄漏到接收通道，如果接收通道中设置了低噪声放大器，常常会因此遭到损坏。在常规设计中，为了保护接收通道，对发射功率的最大值是存在限制的，这就限制了功率增强的效果。由于本发明在接收通道中取消了放大器，实际系统的整体电性能更好，有利于获得较高的发射通道输出信号功率。

在收发时隙切换控制信号提取电路中，使用四分之一波长的传输线，一端连接无线传感网络节点的天线端口，另一端连接到切换控制信号提取电路的输入端口。由于控制信号提取电路的输入端口本身具有一定的分布电容，恰好在终端形成射频短路的效果，等效为传输线的另外一端即信号引出端口开路，从而有效地减小了控制信号提取电路对射频信号传输的影响。收发时隙控制信号提取电路由无线节点网络的CPU通过射频接口间接控制，获得对发射控制信号，包括接收与发射的时隙信号，从而控制切换开关完成发射通道和接收通道之间的切换。

结合图1，通信距离扩展器由五个模块构成。模块4和模块5是配对的半导体射频开关，他们的射频端口阻抗几乎是相同的。模块4的公共端子连接到无线传感网络节点的天线端口(模块7)，模块5的公共端子连接到外接天线(模块8)。模块4和模块5的开关切换控制端口连接到模块3，接受模块3的控制。

开关切换信号提取模块即模块3，其输入端口连接到模块7。它首先从模块7的输出信号中提取出开关切换信号，然后根据时隙要求控制4号模块和5号模块，适时将1号模块(接收通道)和2号模块(发射通道)轮流切入信号传输通道。

结合图2，发射通道主要由一个固定增益的射频功率放大器电路构成，发大器的射频输入信号来自模块4，输出信号连接到模块5。放大器可以完全关闭，以便在接收时隙期间降低系统功耗，同时也能增强电路的稳定性。放大器开关信号由模块3提供，它和收发时隙是同步的。

结合图3，接收通道由一根微带传输线构成，其电长度为二分之一波长，其宽度和走线方式可以根据实际电路情况较为自由地调整。设这段传输线的特性阻抗为Z₀，Z₀的具体数值会随着传输线的物理参数变化而变化，并不确定，两个端接阻抗分别为Z_L4和Z_L5。当接收通道启用时，由天线接收到的电磁波能量通过模块5入射，再通过传输线后，经由模块4输出。在输出端，由于接口阻抗不连续性的客观存在，部分电磁波能量被反射，其反射系数Γ_L4可由以下表达式描述：

$Z_{L4}=\frac{Z_{L4}-Z_0}{Z_{L4}+Z_0}---\left(1\right)$

反映在信号输入端口的反射系数Γ_L5可由以下表达式描述：

Z_L5＝Γ_L4e^jφ            (2)

在(2)式中，φ是传输相移，由于传输电长度为二分之一波长，因此φ＝2π(因为电磁波在传输线段上反射了一个来回，所以总相位变化了360度)，所以有下式成立：

Z_L5＝Γ_L4                (3)

综合(1)、(2)和(3)式，可见接收通道入射端口的反射系数仅取决于Z_L4、Z_L5之间的匹配情况，而和传输线的实际特性阻抗没有关系。由于模块4和模块5采用的是配对的射频开关，因此有Z_L4≈Z_L5，这一段接收通道传输路径的反射系数接近零，造成的反射损耗可以忽略。从物理原理上考虑，是由于二分之一波长的传输线引起了电磁波反射能量的干涉相消。采用这一方法，即使在使用普通微带电路加工工艺，导致微带线特性阻抗存在较大波动的条件下，仅要求所使用的射频开关是配对的，就能够获得有效降低插入损耗的效果。

结合图4，开关切换信号提取模块通过一段四分之一波长的传输线连接到外接模块7的端口上。由于开关切换信号提取电路的输入端口存在寄生电容，对射频信号形成对地短路，等效于在其输入端口形成开路，从而实现射频信号隔离的效果。

图5展示了本发明在基于Imote2智能无线传感网络节点上的距离扩展效果。图表横轴坐标表示实测通信距离，纵轴坐标表示实测的数据包接收率。实验无线传感网络工作在2.4GHz频段，实验环境为视线传输，天线增益为2.2dBi，发射通道功率放大器增益为23dB。在未使用本发明之前，实测节点视线传输距离最大为200米，使用本发明之后，实测节点视线传输距离超过3300米。

本发明实施例中的2.4GHz频段的二分之一波长传输线与四分之一波长传输线的结构是现有技术，具体的物理长度是与波长、电路板的介质特性是有关，可能参照现有的微波设计手册，本发明并不限制电路板的使用材料。

Claims (4)

1.无线传感网络通信距离扩展器，通信距离扩展器串接在无线传感网络节点的天线端口和外接天线之间，其特征是由一组配对的半导体高频切换开关模组、开关切换控制信号提取模块、射频发射通道和射频接收通道组成；所述配对的半导体高频切换开关模组包括进行射频发射通道和射频接收通道的开关切换的半导体开关和控制半导体开关的电路；开关切换控制信号提取模块和无线传感网络节点的天线端口相连接，用于跟踪收发时隙，提取射频接收或射频发射通道开关切换控制信号；射频发射通道设有功率放大模块，构成发射通道的功率增强部分，用于增强无线传感网络节点的发射信号；射频接收通道上设有二分之一波长的微带传输线结构。

2.根据权利要求1所述的无线传感网络通信距离扩展器，其特征是在收发时隙控制信号提取电路与天线端口之间，设有四分之一波长传输线隔离。

3.无线传感网络通信距离扩展方法，通信距离扩展器串接在无线传感网络节点的天线端口和外接天线之间，其特征是设有一组配对的半导体高频切换开关模组、开关切换控制信号提取模块、射频发射通道和射频接收通道，射频接收通道上设有二分之一波长的微带传输线结构；在接收射频信号时，利用电磁波在传播媒质交界处的干涉作用，削弱反射电磁波能量，增强入射电磁波能量，降低插入损耗；并在射频发射通道设有功率放大模块，对发射通道进行功率增强，同时取消接收通道低噪声放大器；所述配对的半导体高频开关模组包括进行发射通道和接收通道的开关切换的半导体开关和控制半导体开关的电路，并保证低插入损耗和发射通道和接收通道的高隔离度；开关切换控制信号提取模块和无线传感网络节点的天线端口相连接，用于跟踪收发时隙，提取接收或发射通道开关切换控制信号。

4.根据权利要求3所述的无线传感网络通信距离扩展方法，其特征是在收发时隙控制信号提取电路中，采用了四分之一波长传输线与天线端口之间进行隔离，通过对发射控制信号的提取，获得接收与发射的时隙信号，并控制开关切换完成发射通道和接收通道之间的切换。

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