CN112235042A - 一种现代反向散射通信系统硬件的优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种现代反向散射通信系统硬件的优化方法，轻量化的板载天线设计使节点摆脱了外部天线的限制，无需电池进行通信。优化后的匹配网络使信号损耗小，传输距离长；将高频部分与数字部分分离。在天线设计中，通过对不同参数的天线进行比较，选择最优天线。在匹配网络的优化中,我们把实验数据进行模拟优化,然后把仿真数据放入真实实验中测试,逐步消除仿真和实验之间的误差,以获得最优的匹配网络连接高频电路和数字电路，使得通信系统不需要被电源所限制。实验结果表明，电磁波信号获取的能量足以支持节点连续接收和发送信号，传输距离可达5m左右，且节点的电力消耗只有3‑15微瓦。
Description
技术领域
本发明涉及了现代反向散射通信系统硬件设计的测试和优化，属于反向散射通信领域。
背景技术
在各类物联网应用场景中，电源问题往往成为发展瓶颈。后向散射使通信不需要任何电源，反向散射通信技术，指的是利用射频信号的反向散射信号进行通信，由于去除了无线电收发器，使得能量需求大大减少，它充分利用了环境中的射频信号，以之为载体进行信息传输。与有源的无线电收发设备相比，反向散射通信使能量消耗从瓦级降至微瓦级。射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术即基于这一原理，作为一种低成本的无源通信技术，其在零售行业得到了广泛发展，已经成为标准化技术，用于物流业或是仓库管理中的物件识别或定位。在反向散射通信系统中，包括了一个由可编程嵌入式硬件控制的标签 (Tag)以及信号调制电路，该电路通过改变天线阻抗来控制是否反射入射信号。在RFID技术中，该入射信号由一个特定的读写器(Reader)产生，读写器还需要解码反向散射信号并从Tag中获取信息，这使得读写器的造价非常昂贵，这也成为了RFID系统的一个缺陷。除了利用读写器，最新研究证明，环境中存在的无线信号，例如FM信号、TV信号、蜂窝网络信号以及WIFI信号，都可以作为反向散射系统的入射信号。同时，由于Tag每次只传输少量信息，其需要做的工作只是调节天线阻抗，因此，Tag对能量的需求非常小，通过合理的设计，这些能量可以从环境中的射频信号或是光信号中获得。低功耗的Tag使得大规模物联网的部署成为可能，如果我们需要环境中不同节点的信息，只需要一个激励源，一个接收端，以及大量分布在各个节点的低功耗Tag，就可以实现大规模低功耗的通信网络。
信号反射，是信号传输过程中一个普遍存在的现象，在传输线的信号传输理论中，信号传输的过程中，通常都会伴随着一个瞬时阻抗，当此瞬时阻抗发生变化时，信号就会发生反射，特别是当信号的频率较高时，反射信号的强度就会比较高，由于反向散射信号的频率与入射信号的频率相同，但前者的信号强度却远远不及后者，强烈的自干扰导致在接收端根本无法检测出反向散射信号，因此，必须要将反向散射信号的频率进行搬移，使其频段远离入射信号的频率，以便接收端在频域上能够解调出反向散射信号。考虑单一频率信号，假设入射信号为
Tag电路上为频率为Δf的脉冲信号，做傅里叶变换后可以写为
完成了信号偏移。
发明内容
本发明的目的是提出一种现代反向散射通信系统硬件设计的优化，这种优化主要在于天线的优化，匹配网络的优化和获能及升压电路的优化。在现有反射通信系统设计的基础上，对机载高频天线进行了设计和优化，以降低信号传输损耗；实现匹配网络优化，以满足天线阻抗和负载阻抗在大误差条件下完美匹配的需求，提高接收信号信噪比，增长通信距离；获能及升压电路的优化可以使得系统工作更加稳定。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种现代反向散射通信系统硬件的优化方法，所述该方法包括以下步骤：
(1)优化板载高频天线。为了接收915MHZ频率的信号，我们需要设计工作频率为915MHZ 的板载天线，选用PIFA天线作为接收天线。PIFA天线是目前应用最广泛的手机内置天线。它具有体积小、重量轻、外形低、成本低、机械强度好、频带宽等一系列优点。PIFA天线由线性逆F天线(IFA)发展而来，IFA的频带通常小于中心频率的百分之一。根据Q值与天线带宽的关系，提高带宽的方法是降低Q值，因此，将IFA天线的细线换成一定宽度的金属板，可以增加分布电容，减小分布电感。因此，平面天线的输入阻抗低于线性天线，从而产生了宽带的谐振特性，从而增加了天线的带宽，这就形成了PIFA天线。我们首先确定PIFA天线的工作频率为915MHZ，其介电基板为Tag，除了介电基板，微带贴片是平行于地平面的一块金属，同轴馈线用于信号传输，天线的尺寸、反馈点的位置等参数会影响天线的工作状态，基于上述天线设计原理，我们设计了响应频率为915MHz的PIFA微带天线。
(2)天线优化完成后，还需要对匹配网络进行优化，以满足高频阻抗和低频阻抗的匹配。阻抗匹配(IM)是通过一个电感和一个电容组成的匹配网络来实现的。以往的优化往往只是根据ADS软件计算出相应的值，在我们的优化设计中，我们将计算出的值放入矢量网络分析仪，并用实际测试的值在进行计算，以达到一种反馈的作用。众所周知,微带天线的阻抗通常是 50Ω，负载阻抗应由矢量网络分析仪测量，匹配网络的入射阻抗需要尽可能保持在50欧姆，散射参数s11需要尽可能小。在该无源通信系统中，有三个匹配网络，分别是天线和数字接收电路(IM1)之间，天线和语音接收电路(IM2)之间，天线和语音传输电路(IM3)之间，它们的匹配进程是相似的。我们用矢量网络分析仪测量相应电路的负载阻抗，并将其放入ADS软件中。在确定了天线阻抗和负载阻抗后，ADS可以自动计算匹配网络中的电容和电感。在确定电容和电感后，可以在ADS软件中模拟电路的S11参数。如果915MHZ下的S11参数经过归一化后接近1，则匹配网络是正确的。以数字接收机的匹配网络为例，我们选择了由电容和电感组成的匹配网络，首先，负载阻抗需要测试与矢量网络分析仪。然后将负载阻抗代入ADS 软件的计算模型，计算电容和电感的值。但是理论值与实际值之间往往存在较大的差距，需要通过实验检验不断修正。根据实验我们得出规律：通常改变电容值可以改变匹配网络的响应频率，改变电感值也可以在小范围内改变响应频率。
(3)最后为了提高系统稳定性，我们对节点的获能和升压模块进行了优化。由于本系统是不需要电源的，因此需要从环境中获得能量供给芯片工作，以往的获能系统可能只涉及到某一种信号的获取，我们的优化设计中主要从环境中获取两种能量，分别是射频信号能量和光信号能量。射频信号由板内天线接收，通过匹配网络发送到由几个肖特基二极管和电容器组成的整流器。整流器可将射频信号转换为低压直流信号，送至Bq25570芯片及其外围电路组成的升压模块，Bq25570是TI公司设计的超低功耗DC-DC升压芯片。其冷启动电压仅为330mV，通过设置外围电阻值可控制输出电压。我们设置它的输出电压为1.9V。根据bq25570的数据表,可以计算出输出电压为1.9v时,其外围电阻值为Rov1＝5.63mΩ,Rov2＝7.32mΩ,Rok1＝ 6.55mΩ,Rok2＝3.76mΩ,Rok3＝2.7mΩ,Rout1＝8.28mΩ,Rout2＝4.72mΩ。当环境中RF信号或环境光较强时，Bq25570外围储能电容可以存储多余的能量，使得环境信号较弱时维持稳定的电源供应，升压后的电压传入由TPS780芯片和1uF电容组成的LDO稳压模块，可以产生1.8V 的稳定供电电压。
该发明提出的现代反向散射通信系统硬件设计的优化优点包括：优化节点的硬件设计。轻量化的板载天线设计，使节点摆脱了外部天线的限制，无需电池进行通信。优化后的匹配网络使信号损耗小，传输距离长；将高频部分与数字部分分离。在天线设计中，通过对不同参数的天线进行比较，选择最优天线。在匹配网络的优化中,我们把实验数据进行模拟优化, 然后把仿真数据放入真实实验中测试,逐步消除仿真和实验之间的误差,以获得最优的匹配网络连接高频电路和数字电路，实验结果表明，电磁波信号获取的能量足以支持节点连续接收和发送信号，传输距离可达5m左右，且节点的电力消耗只有3-15微瓦。
附图说明
图1为本发明天线示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细的介绍，本发明的目的是提出一种现代反向散射通信系统硬件设计的优化，这种优化主要在于天线的优化，匹配网络的优化和获能及升压电路的优化。在现有反射通信系统设计的基础上，对机载高频天线进行了设计和优化，以降低信号传输损耗；实现匹配网络优化，以满足天线阻抗和负载阻抗在大误差条件下完美匹配的需求，提高接收信号信噪比，增长通信距离；获能及升压电路的优化可以使得系统工作更加稳定。
本发明提出的现代反向散射通信系统硬件设计的优化，包括以下步骤：
(1)优化板载高频天线。为了接收915MHZ频率的信号，我们需要设计工作频率为915MHZ 的板载天线，选用PIFA天线作为接收天线。PIFA天线是目前应用最广泛的手机内置天线。它具有体积小、重量轻、外形低、成本低、机械强度好、频带宽等一系列优点。PIFA天线由线性逆F天线(IFA)发展而来，IFA的频带通常小于中心频率的百分之一。根据Q值与天线带宽的关系，提高带宽的方法是降低Q值。因此，将IFA天线的细线换成一定宽度的金属板，可以增加分布电容，减小分布电感。因此，平面天线的输入阻抗低于线性天线，从而产生了宽带的谐振特性，从而增加了天线的带宽。这就形成了PIFA天线。我们首先确定PIFA天线的工作频率为915MHZ，其介电基板为Tag。除了介电基板，微带贴片是平行于地平面的一块金属，同轴馈线用于信号传输，天线的尺寸、反馈点的位置等参数会影响天线的工作状态。基于上述天线设计原理，我们设计了响应频率为915MHz的PIFA微带天线。
在我们的实验中，普通的PIFA天线的增益太低，并不能满足我们的需求，因此需要对通用的PIFA天线进行优化。我们利用HFSS软件设计了由微带天线改造而成的板载天线，并对板载天线的性能进行了仿真，包括板载天线的响应频率、驻波比(VSWR)、增益、辐射方向等参数。我们所设置的天线载体为矩形介质，材料为FR-4。天线的馈线连接微带贴片到地面，天线仿真的调试参数包括天线尺寸、天线馈线的长度和宽度、介质基板的厚度等。利用HFSS 的扫频函数，我们确定响应频率为915MHZ的微带天线载波尺寸为长78mm，宽43mm，高2mm。确定载波尺寸后，对天馈宽度fw和天线宽度aw进行仿真，仿真目标为天线增益和天线响应频率。我们选择了响应频率为915MHz的几个参数组合，它们的增益性能相似。最后，其余三组参数表现出相似的性能，即fw1＝1.2mm,aw1＝1.5mm,fw2＝1.5mm,aw2＝1mm,fw3＝1.7mm,aw3＝0.8mm。我们选择了这三组天线参数，并进行了实验来选择最优的天线性能。除了天线的响应频率和增益外，还需要模拟天线的驻波比。当天线的驻波比为1时，天线没有反射能量损失。因此，天线的驻波比越接近1，信号的损耗就越小。经验表明，当天线的驻波比小于2时，信号可以正常传输。根据实验中随信号频率变化的驻波比图像，在915MHZ 响应频率点，VSWR最接近1的值为fw2＝1.5mm,aw2＝1mm，该点的驻波比约为1.2，说明在频率为915MHZ时，天线的驻波比表现良好。因此，我们最终确定天线的馈线宽度为1.5mm，天线的宽度为1mm。
优化后的PIFA天线增益最大可以达到1.95dB，最小可以达到-10.57dB，如图1所示。
(2)天线优化完成后，还需要对匹配网络进行优化，以满足高频阻抗和低频阻抗的匹配。阻抗匹配(IM)是通过一个电感和一个电容组成的匹配网络来实现的。以往的优化往往只是根据ADS软件计算出相应的值，在我们的优化设计中，我们将计算出的值放入矢量网络分析仪，并用实际测试的值在进行计算，以达到一种反馈的作用。众所周知,微带天线的阻抗通常是 50Ω，负载阻抗应由矢量网络分析仪测量，匹配网络的入射阻抗需要尽可能保持在50欧姆，散射参数s11需要尽可能小。在该无源通信系统中，有三个匹配网络，分别是天线和数字接收电路(IM1)之间，天线和语音接收电路(IM2)之间，天线和语音传输电路(IM3)之间，它们的匹配进程是相似的。我们用矢量网络分析仪测量相应电路的负载阻抗，并将其放入ADS软件中。在确定了天线阻抗和负载阻抗后，ADS可以自动计算匹配网络中的电容和电感。在确定电容和电感后，可以在ADS软件中模拟电路的S11参数。如果915MHZ下的S11参数经过归一化后接近1，则匹配网络是正确的。以数字接收机的匹配网络为例，我们选择了由电容和电感组成的匹配网络，首先，负载阻抗需要测试与矢量网络分析仪。然后将负载阻抗代入ADS 软件的计算模型，计算电容和电感的值。但是理论值与实际值之间往往存在较大的差距，需要通过实验检验不断修正。根据实验我们得出规律：通常改变电容值可以改变匹配网络的响应频率，改变电感值也可以在小范围内改变响应频率。
根据以上规律，我们找到了三个匹配网络的电容电感最佳值，分别是：C1＝3.3pF,L1＝ 28nH,C2＝2.2pF,L2＝29.6nH,C3＝3.9pF,L3＝14nH,根据矢量网络分析仪显示的匹配网络的入射阻抗和s11参数，标记点m1表示匹配网络在915mhz处归一化入射阻抗基本等于1，表明天线阻抗和负载阻抗已经匹配；标记点m2表示这三种匹配网络的s11参数均低于-35dB，说明这三种匹配网络是有效的。为了优化匹配网络，我们改变了电容和电感值，并测试了相应的响应频率、驻波比和S11参数。实验结果显示，当C＝0.8pf,L＝39nH时，响应频率为915MHz, VSWR＝1.5,S11＝-19.8dB，符合预期结果。
为了验证匹配网络的正确性，我们利用PSPICE软件对电路进行了仿真。PSPICE仿真包括模拟信号仿真和数字信号仿真。模拟信号的模拟是为了测试手机接收声音信号的能力。模拟信号源为915MHZ高频信号，其幅度由声音信号调制。仿真结果表明，该电路可以从高频信号中解调出声音信号，且不需要任何电源。
(3)最后为了提高系统稳定性，我们对节点的获能和升压模块进行了优化。由于本系统是不需要电源的，因此需要从环境中获得能量供给芯片工作，以往的获能系统可能只涉及到某一种信号的获取，我们的优化设计中主要从环境中获取两种能量，分别是射频信号能量和光信号能量。射频信号由板内天线接收，通过匹配网络发送到由几个肖特基二极管和电容器组成的整流器。整流器可将射频信号转换为低压直流信号，送至Bq25570芯片及其外围电路组成的升压模块，Bq25570是TI公司设计的超低功耗DC-DC升压芯片。其冷启动电压仅为330mV，通过设置外围电阻值可控制输出电压。我们设置它的输出电压为1.9V。根据bq25570的数据表,可以计算出输出电压为1.9v时,其外围电阻值为Rov1＝5.63mΩ,Rov2＝7.32mΩ,Rok1＝ 6.55mΩ,Rok2＝3.76mΩ,Rok3＝2.7mΩ,Rout1＝8.28mΩ,Rout2＝4.72mΩ。当环境中RF信号或环境光较强时，Bq25570外围储能电容可以存储多余的能量，使得环境信号较弱时维持稳定的电源供应，升压后的电压传入由TPS780芯片和1uF电容组成的LDO稳压模块，可以产生1.8V 的稳定供电电压。
在我们的设计中，当基站发送数字或声音信号时，天线可以接收这些信号并将其送入射频信号收集模块，并选用SMS-7630肖特基二极管和几个100pF电容组成整流器，bq25570储能网络由4.7uF、0.1uF和100uF的电容器并联组成。当bq25570的输入电压大于330mV时，首先提升储能电容器的电压Vstore,Vstore连接到输出启用引脚VoutEN，当Vstore足够高时， VoutEN设置为1，Vout引脚输出电压。同时我们使用Vishay公司的VEMD5060X01硅光电二极管从环境光中获取能量，平行放置15个光电二极管，输出电压送至bq25570的输入引脚。这 15个光电二极管焊接在一个非常小的电路板上，通过一排引脚连接到Tag上，可以使光电二极管的拆卸更容易，便于电路的调试。
该发明提出的现代反向散射通信系统硬件设计的优化优点包括：优化节点的硬件设计。轻量化的板载天线设计，使节点摆脱了外部天线的限制，无需电池进行通信。优化后的匹配网络使信号损耗小，传输距离长；将高频部分与数字部分分离。在天线设计中，通过对不同参数的天线进行比较，选择最优天线。在匹配网络的优化中,我们把实验数据进行模拟优化, 然后把仿真数据放入真实实验中测试,逐步消除仿真和实验之间的误差,以获得最优的匹配网络连接高频电路和数字电路，实验结果表明，电磁波信号获取的能量足以支持节点连续接收和发送信号，传输距离可达5m左右，且节点的电力消耗只有3-15微瓦。
Claims (1)
1.一种现代反向散射通信系统硬件的优化方法，其特征在于所述该方法包括以下步骤：
(1)优化板载高频天线，为了接收915MHZ频率的信号，我们需要设计工作频率为915MHZ的板载天线，选用PIFA天线作为接收天线。PIFA天线是目前应用最广泛的手机内置天线。它具有体积小、重量轻、外形低、成本低、机械强度好、频带宽等一系列优点。PIFA天线由线性逆F天线(IFA)发展而来，IFA的频带通常小于中心频率的百分之一。根据Q值与天线带宽的关系，提高带宽的方法是降低Q值，因此，将IFA天线的细线换成一定宽度的金属板，可以增加分布电容，减小分布电感。因此，平面天线的输入阻抗低于线性天线，从而产生了宽带的谐振特性，从而增加了天线的带宽，这就形成了PIFA天线。我们首先确定PIFA天线的工作频率为915MHZ，其介电基板为Tag，除了介电基板，微带贴片是平行于地平面的一块金属，同轴馈线用于信号传输，天线的尺寸、反馈点的位置等参数会影响天线的工作状态，基于上述天线设计原理，我们设计了响应频率为915MHz的PIFA微带天线。
(2)天线优化完成后，还需要对匹配网络进行优化，以满足高频阻抗和低频阻抗的匹配。阻抗匹配(IM)是通过一个电感和一个电容组成的匹配网络来实现的。以往的优化往往只是根据ADS软件计算出相应的值，在我们的优化设计中，我们将计算出的值放入矢量网络分析仪，并用实际测试的值在进行计算，以达到一种反馈的作用。众所周知,微带天线的阻抗通常是50Ω，负载阻抗应由矢量网络分析仪测量，匹配网络的入射阻抗需要尽可能保持在50欧姆，散射参数s11需要尽可能小。在该无源通信系统中，有三个匹配网络，分别是天线和数字接收电路(IM1)之间，天线和语音接收电路(IM2)之间，天线和语音传输电路(IM3)之间，它们的匹配进程是相似的。我们用矢量网络分析仪测量相应电路的负载阻抗，并将其放入ADS软件中。在确定了天线阻抗和负载阻抗后，ADS可以自动计算匹配网络中的电容和电感。在确定电容和电感后，可以在ADS软件中模拟电路的S11参数。如果915MHZ下的S11参数经过归一化后接近1，则匹配网络是正确的。以数字接收机的匹配网络为例，我们选择了由电容和电感组成的匹配网络，首先，负载阻抗需要测试与矢量网络分析仪。然后将负载阻抗代入ADS软件的计算模型，计算电容和电感的值。但是理论值与实际值之间往往存在较大的差距，需要通过实验检验不断修正。根据实验我们得出规律：通常改变电容值可以改变匹配网络的响应频率，改变电感值也可以在小范围内改变响应频率。
(3)最后为了提高系统稳定性，我们对节点的获能和升压模块进行了优化。由于本系统是不需要电源的，因此需要从环境中获得能量供给芯片工作，以往的获能系统可能只涉及到某一种信号的获取，我们的优化设计中主要从环境中获取两种能量，分别是射频信号能量和光信号能量。射频信号由板内天线接收，通过匹配网络发送到由几个肖特基二极管和电容器组成的整流器。整流器可将射频信号转换为低压直流信号，送至Bq25570芯片及其外围电路组成的升压模块，Bq25570是TI公司设计的超低功耗DC-DC升压芯片。其冷启动电压仅为330mV，通过设置外围电阻值可控制输出电压。我们设置它的输出电压为1.9V。根据bq25570的数据表,可以计算出输出电压为1.9v时,其外围电阻值为Rov1＝5.63mΩ,Rov2＝7.32mΩ,Rok1＝6.55mΩ,Rok2＝3.76mΩ,Rok3＝2.7mΩ,Rout1＝8.28mΩ,Rout2＝4.72mΩ。当环境中RF信号或环境光较强时，Bq25570外围储能电容可以存储多余的能量，使得环境信号较弱时维持稳定的电源供应，升压后的电压传入由TPS780芯片和1uF电容组成的LDO稳压模块，可以产生1.8V的稳定供电电压。
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- 2020-09-14 CN CN202010962516.XA patent/CN112235042A/zh active Pending
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