CN109935973B - 一种背向散射天线及其分布方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线设备技术领域，具体涉及一种背向散射天线及其分布方法，其应用在电磁波发射天线的发射环境中，包括至少一个反射天线和多个接收天线，所述多个接收天线之间具有一定距离，所述多个接收天线均位于电磁波发射天线发射的电磁波等功率面上，所述反射天线接收电磁波发射天线发射的电磁波并反射给接收天线。本发明一种背向散射天线，通过将接收天线设置在电磁波发射天线的等功率面上，实现了背向散射中的一种高效反射接收方式，从而达到减小误差，增加算法精度，提高背向散射通信的效果。
Description
技术领域
本发明属于无线设备技术领域，具体涉及一种背向散射天线及其分布方法。
背景技术
小型计算设备越来越多的嵌入到事物和环境中，如温度调节器、家具甚至以及在可植入的医疗设备中。一个关键的问题是当他们变的数量越来越多、越来越小的时候，如何给他们提供电源。电线通常是不可行的，电池会增加重量，体积，成本，还需要不断的充电和替换，这样会增加维护成本，在规模很大的时候，也难以实现。
背向散射通信是一种新型的通信方式，设备之间可以通过反射周围环境中的射频信号进行通信。与传统的无线电通信相比，背向散射通信更加节能，更高效，提升了几个数量级。并且，由于背反射技术利用了已经存在我们周围的环境射频信号，它不需要像传统的背反射通信一样需要一个专门的电力设施。可认为是真正意义上的绿色环保节能设备。然而各个背向散射中所采用的反射天线门类众多，反射方式和效率也不定相同。在微弱的电磁环境中，一点点的效率改变往往起到明显的效果改变。
天线品种样式繁多，个体的方向图更是不一样。在现在反向反射的技术中，天线的布局都是按照几何位置定位布局，对天线的特性性能并没有过多的利用，这样的结果是天线功能有体现，但是性能并没有得到发挥。背向散射的距离和通信效果往往受限于此。
反向散射是利用环境空间已存在的电磁波做媒介，利用天线对电磁波的接收反射功能在两个点进行通信。其约束点在于空间电磁波的强度和天线的接收反射效率。环境空间电磁波的强度并不受控制，方向和大小均不确定。所以反向散射通信的距离很受限。因此，在通信端，天线的接收与反射效率对整个通信系统的效率有很大的影响。
发明内容
针对以上问题，本发明旨在提供新型一种背向散射天线及其分布方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种背向散射天线，应用在电磁波发射天线的发射环境中，包括至少一个反射天线和多个接收天线，所述多个接收天线之间具有一定距离，所述多个接收天线均位于电磁波发射天线发射的电磁波等功率面上，所述反射天线接收电磁波发射天线发射的电磁波并反射给接收天线。
作为进一步改进，所述等功率面不局限是一个等功率的连续面，还包括主瓣的连续面或者旁瓣的连续面或者旁瓣与旁瓣的等功率面。
特别的，所述反射天线与接收天线位于同一个等功率面上。
进一步的，所述反射天线和所述接收天线为具有一定方向性的天线，包括但不限于喇叭天线和贴片天线。
作为一种改进，所述反射天线和所述接收天线的波瓣角大于或等于其对应天线的通信夹角；所述反射天线的通信夹角为所述反射天线与电磁波发射天线和接收天线之间连线的最大夹角；所述接收天线的通信夹角为接收天线与电磁波发射天线和反射天线之间连线的夹角。
一种背向散射天线分布方法，应用在电磁波发射天线的发射环境中，包括至少一个反射天线和多个接收天线，所述多个接收天线之间具有一定距离，所述多个接收天线均位于电磁波发射天线发射的电磁波等功率面上，所述反射天线接收电磁波发射天线发射的电磁波并反射给接收天线。
作为一种改进，所述等功率面不局限是一个等功率的连续面，还包括主瓣的连续面或者旁瓣的连续面或者旁瓣与旁瓣的等功率面。
特别的，所述反射天线与接收天线位于同一个等功率面上。
具体的，所述反射天线和所述接收天线为具有一定方向性的天线，包括但不限于喇叭天线和贴片天线。
进一步的，所述反射天线和所述接收天线的波瓣角大于或等于其对应天线的通信夹角；所述反射天线的通信夹角为所述反射天线与电磁波发射天线和接收天线之间连线的最大夹角；所述接收天线的通信夹角为接收天线与电磁波发射天线和反射天线之间连线的夹角
本发明一种背向散射天线，通过将接收天线设置在电磁波发射天线的等功率面上，实现了背向散射中的一种高效反射接收方式，从而达到减小误差，增加算法精度，提高背向散射通信的效果。
附图说明
图1是本发明一种背向散射天线反向散射场景示意图；
图2是本发明一种背向散射天线推论示意图；
图3是本发明一种背向散射天线的功率面示意图；
图4是本发明一种背向散射天线的通信夹角示意图。
具体实施方式
以下结合图1至图4具体说明本发明提供的一种背向散射天线及其分布方法。
如图1所示，反向散射是无源的反射系统，空间环境电磁波做载体的多天线应用技术。AntE是环境电磁波的发射源。AntP是反射天线，是一个接收反射的装置。AntA、AntB分别是接收天线(需要相隔一定距离)，3个等功率线“环境电磁波等功率线1 2 3”。在这个环境中，设AntA,AntB接收到AntE所发射出来的能量分别是hrf和h'rf。AntP同时将从AntE处所接收到能量反射出去，此时AntA,AntB分别接收到反射天线AntP反射过来的功率为hb和h'b。最终AntA，AntB接收到的能量分别是：ya＝hrf+hb,yb＝h'rf+h'b
由于传输距离、频率，效率等因数，实际中接收天线AntA与AntB接收到AntP与AntE的能量相差约两个数量级。也就是说hrf>>hb,h'rf>>h'b。在算法中采用的值为两个接收天线接收到反射天线AntP所反射过来的差值(并非直接的相减，而是通过一定相位移后的相减，此处用减法表示)，理论值即hb和h'b的差值：Δp＝hb-h'b。而算法中hrf和h'rf被相等处理计算。实际试验中采用的方法是Δp＝(hrf+hb)-(h'rf+h'b)，即实际中是将环境能量hrf和h'rf算进去了，算法中将这个数值理想化了。因为hrf>>hb,h'rf>>h'b，所以hrf和h'rf的实际中相差值|hrf-h'rf|都可能近似于hb和h'b，从而给实验造成很大的误差。
有鉴于此，本发明提供的提供一种背向散射天线，如图2所示，应用在电磁波发射天线的发射环境中，包括至少一个反射天线和多个接收天线，所述多个接收天线之间具有一定距离，所述多个接收天线均位于电磁波发射天线发射的电磁波等功率面上，所述反射天线接收电磁波发射天线发射的电磁波并反射给接收天线。在本发明具体实施例中，为了简化说明，均只采用两个接收天线。
环境电磁波发射天线对外界环境发射电磁波，在不同的空间位置存在着电磁波等功率面，图1中“环境电磁波等功率线1 2 3”分别是3条等功率线。将天线AntB由AntB1移动至AntB2位置，即将两接收天线AntA和AntB移到一个等功率线/面上。在AntB2位置接收到的两路能量分别是h'rf'和h'b'。
由于在算法中将hrf和h'rf理想化了，即hrf-h'rf＝0处理。假设AntA不动，改变AntB的天线位置由AntB1到AntB2，以改变AntA，AntB两天线的位置关系。由于AntB在不同的位置接到到AntE的能量是不一定相同的，只有移动过程中处于等功率线上时才相等。因此，只有AntA，AntB两天线的位置处于同一等功率线或面上，他们接收到AntE的能量才相等，即当AntB处在AntB2的位置时hrf-h'rf＝0。由于接受天线接收到环境天线过来的能量远远大于反射天线反射过来的能量，所以hrf-h'rf这个值不可忽视。本发明的要点是将天线AntA与AntB置于同一等功率线上(环境电磁波天线的方向图)。即：使hrf-h'rf'＝0，此时反向散射在实验与算法中的误差将到达最小值，解调的信号相对干净，因此反射通信的距离得以提升。
如图3所示，将AntB1移至AntB2位置，即环境电磁波的旁瓣位置，同时也是等功率线2，这种形式也是属于等功率的。因此，作为进一步改进，所述等功率面不局限是一个等功率的连续面，还包括主瓣的连续面或者旁瓣的连续面或者旁瓣与旁瓣的等功率面。特别的，所述反射天线与接收天线位于同一个等功率面上。
上述讲到的是天线AntA不动，移动天线AntB。同理，在AntB不变的基础上，移动AntA也是同样的效果。
作为一种改进，为了使反射的能量更加集中反射至想要到达的地方，使接收天线更加集中接收局部方向的能量，进一步约束反射天线的反射方向及接收天线的接收方向。选择具有一定方向性的天线从而可以使反射接收效率更高，其天线方向广角均要包含各个天线。AntP天线方向射向环境电磁波发射天线AntE,及接收天线AntA,AntB。同时接收天线AntA,AntB天线方向射向环境电磁波发射天线AntE及AntP。
具体的，选择天线AntP,AntA,AntB为具有一定方向性的天线，包括但不限于喇叭天线和贴片天线。使所述反射天线和所述接收天线的波瓣角大于或等于其对应天线的通信夹角；如图4所示以喇叭天线为例，所述反射天线的通信夹角为所述反射天线与电磁波发射天线和接收天线之间连线的最大夹角；所述接收天线的通信夹角为接收天线与电磁波发射天线和反射天线之间连线的夹角。如图4∠P,∠A,∠B所示，为反向散射通信需要的最小角度。波瓣角不宜太大，如果太大，功率扩散也就大，效率降低，通信效果打了折扣；如果波瓣角小于通信夹角，将导致反射信号无法达到目的地。如图4中所示，天线AntP的波瓣角要大于∠P，天线AntA的波瓣角要大于∠A，天线AntB的波瓣角要大于∠B。摆放天线的时候，保证通信夹角在天线的波瓣角内。同时在摆放天线AntP,AntA,AntB时，应充分参考上述所说的关系。
一种背向散射天线分布方法，应用在电磁波发射天线的发射环境中，包括至少一个反射天线和多个接收天线，所述多个接收天线之间具有一定距离，所述多个接收天线均位于电磁波发射天线发射的电磁波等功率面上，所述反射天线接收电磁波发射天线发射的电磁波并反射给接收天线。
作为一种改进，所述等功率面不局限是一个等功率的连续面，还包括主瓣的连续面或者旁瓣的连续面或者旁瓣与旁瓣的等功率面。
特别的，所述反射天线与接收天线位于同一个等功率面上。
具体的，所述反射天线和所述接收天线为具有一定方向性的天线，包括但不限于喇叭天线和贴片天线。
进一步的，所述反射天线和所述接收天线的波瓣角大于或等于其对应天线的通信夹角；所述反射天线的通信夹角为所述反射天线与电磁波发射天线和接收天线之间连线的最大夹角；所述接收天线的通信夹角为接收天线与电磁波发射天线和反射天线之间连线的夹角。
本发明一种背向散射天线，通过将接收天线设置在电磁波发射天线的等功率面上，实现了背向散射中的一种高效反射接收方式，从而达到减小误差，增加算法精度，提高背向散射通信的效果。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种背向散射天线，应用在电磁波发射天线的发射环境中，其特征在于，包括至少一个反射天线和多个接收天线，所述多个接收天线之间具有一定距离，所述多个接收天线均位于电磁波发射天线发射的电磁波等功率面上，所述等功率面不局限是一个等功率的连续面，还包括主瓣的连续面或者旁瓣的连续面或者旁瓣与旁瓣的等功率面，所述反射天线与接收天线位于同一个等功率面上，所述反射天线接收电磁波发射天线发射的电磁波并反射给接收天线。
2.如权利要求1所述的背向散射天线，其特征在于，所述反射天线和所述接收天线为具有一定方向性的天线，包括但不限于喇叭天线和贴片天线。
3.如权利要求1所述的背向散射天线，其特征在于，所述反射天线和所述接收天线的波瓣角大于或等于其对应天线的通信夹角；所述反射天线的通信夹角为所述反射天线与电磁波发射天线和接收天线之间连线的最大夹角；所述接收天线的通信夹角为接收天线与电磁波发射天线和反射天线之间连线的夹角。
4.一种背向散射天线分布方法，应用在电磁波发射天线的发射环境中，其特征在于，包括至少一个反射天线和多个接收天线，所述多个接收天线之间具有一定距离，所述多个接收天线均位于电磁波发射天线发射的电磁波等功率面上，所述等功率面不局限是一个等功率的连续面，还包括主瓣的连续面或者旁瓣的连续面或者旁瓣与旁瓣的等功率面，所述反射天线与接收天线位于同一个等功率面上，所述反射天线接收电磁波发射天线发射的电磁波并反射给接收天线。
5.如权利要求4所述的背向散射天线分布方法，其特征在于，所述反射天线和所述接收天线为具有一定方向性的天线，包括但不限于喇叭天线和贴片天线。
6.如权利要求4所述的背向散射天线分布方法，其特征在于，所述反射天线和所述接收天线的波瓣角大于或等于其对应天线的通信夹角；所述反射天线的通信夹角为所述反射天线与电磁波发射天线和接收天线之间连线的最大夹角；所述接收天线的通信夹角为接收天线与电磁波发射天线和反射天线之间连线的夹角。
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