無線傳感器網絡中的整流天線技術研究進展

2017-05-01 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

無線傳感器網絡(wirelesssensornetwork,WSN)是一種新興的網絡技術,由微小的無線傳感器組成,其無線傳感器網絡節(jié)點具備感應、信息處理和無線通信能力。無線傳感器網絡有廣闊的應用前景,可廣泛用于軍事、環(huán)境、醫(yī)療保健、空間探索及各種商業(yè)運用。無線傳感器網絡與其他普通數(shù)據(jù)網絡(諸如互聯(lián)網、移動adhoc網絡、電話網絡、計算機網絡等)相比具有一些共同的特性,同時也具有一些自己的特點。盡管其他數(shù)據(jù)網絡業(yè)已成熟的解決方案可以借用到無線傳感器網絡上來,但是基于無線傳感器網絡自身的用途和優(yōu)點,仍需要開發(fā)專用的通信協(xié)議和路由算法,這已經成為了當前無線傳感器網絡領域內亟待研究的課題。

無線傳感器網絡獨特的通信信道所具有的不確定性、隨機性、色散特性、多徑效應、能量急劇衰減等特點,給無線傳感器網絡的設計帶來了前所未有的難題,目前無線傳感器網絡研究在安全、能量、容錯機制、網絡結構等4個方面還存在著許多關鍵技術尚未解決。近來興起的時間反演(TR)算法在國際上被廣泛地運用于通信、電磁仿真、微波乳腺癌探測、寬帶天線、環(huán)境溫度監(jiān)控等各個技術領域,美國Houston大學的RichardJ.Barton教授也正在研究基于協(xié)同時間反演算法的無線傳感器網絡,但是目前的這些研究才剛剛開始,很多技術和理論上的問題亟待解決。

無線傳感器網絡中的網絡節(jié)點眾多,并且需要進行實時檢測、數(shù)據(jù)處理,一般節(jié)點均采用電池供電,可使用的電量非常有限,且對成千上萬個節(jié)點更換電池非常困難,而太陽能電池顯然體積過于龐大。為了使無線傳感器網絡具有持久的工作能力,目前的解決方法是通過制定讓大多數(shù)節(jié)點處于自適應休眠和喚醒的工作模式來節(jié)省電能的消耗,并利用時間反演技術的時—空聚焦特性,對沒有電的無線傳感器節(jié)點進行無線輸能。根據(jù)國際上最新發(fā)布的研究成果來看,將無線輸能技術和時間反演算法相互結合正在成為解決無線傳感器網絡中能量問題的一個重要研究趨勢。

整流天線的研究現(xiàn)狀

近代無線輸能技術的系統(tǒng)研究是從20世紀60年代初開始的,當時應用在太陽能衛(wèi)星、直升飛機空中通信接力平臺以及地面兩地間的輸送電能上,以解決沙漠、孤島、峽谷等復雜環(huán)境中的電能輸送問題。20世紀90年代以來,微波集成和半導體技術的發(fā)展又為無線輸能開拓了新的應用領域——微系統(tǒng)領域,如電子標簽和微型機械。微型機械因體積小重量輕,限制了其在機燃料的重量和電池壽命,而無線輸能系統(tǒng)可彌補此缺陷。

微波能量傳輸分為3個步驟:第一步直流電能轉為射頻能量;第二步射頻能量經自由空間傳送到一些遠距離點;第三步,在接收點,能量被收集后轉換為直流能量。在無線輸能系統(tǒng)中,核心技術就是用于將射頻能量轉換為直流能量的整流天線,它是由接收天線、匹配網絡、整流二極管、直流負載組成的能高效地將微波轉換成直流的裝置。

對整流天線的研究主要在縮小整流天線的物理尺寸,提高二極管的工作效率、天線捕獲微波能量的效率、整流天線的轉換效率和入射波的頻率上。隨著二極管性能的不斷提高和整流天線結構的不斷優(yōu)化,其微波—直流的轉換效率可以達到90%。另外微波傳輸?shù)墓ぷ黝l率也在不斷提高。由于不同頻率的微波受大氣層的衰減影響不同,過去的微波傳輸都傾向于采用2.45GHz的工作頻率,因為該頻率微波受大氣影響衰減小,相關技術比較成熟。近年來,隨著高頻技術的發(fā)展,相關技術有了顯著提高,采用高頻可大大減小系統(tǒng)體積,從而可降低整個系統(tǒng)的成本,所以在現(xiàn)在的微波輸能技術中采用更高的頻率如5.8GHz、l0GHz、35 GHz、94 GHz甚至245 GHz成為研究方向。另外利用雙頻天線、圓極化天線作為接收天線可以提高能量的捕獲效率,現(xiàn)也實現(xiàn)了在移動平臺中的應用。

整流二極管天線按天線與整流電路間的連接方式不同,可分為天線和整流電路在一個平面內直接連接和天線與整流電路之間通過孔徑耦合來實現(xiàn)連接兩種;按使用的頻率數(shù)量可分為單頻整流天線和雙頻整流天線;按接收天線的類型可分為平面印刷偶極子天線作為接收天線的整流天線和微帶天線作為接收天線的整流天線。本文按最后一種分類方法來介紹整流二極管天線。

2.1偶極子天線作為接收天線

參考文獻[1]介紹了一種印刷整流天線單元,如圖1所示,整個單元為一個雙平面形式,印刷整流二極管天線電路平行地放置于一個金屬反射平板之上?；牧蠟镽ogersDuroid5880且厚度為10mil,在基片的一面印制平行偶極子天線和共面帶狀線傳輸線,另一面是3條微帶構成的低通濾波器,濾波器可通過5.8 GHz信號并抑制由二極管產生的高次諧波,而且能在偶極子天線和二極管之間起到阻抗匹配的作用。47 pF的貼片電容用于隔離射頻能量和通過直流能量,以達到最大化二極管轉換效率。阻抗負載放置于CPS(共面帶狀線)帶阻濾波器的終端,為二極管輸入阻抗的1.3~1.52倍。該整流天線工作在5.8 GHz頻率時,接入326 Ω的負載,最大微波—直流的轉換效率為82%。

圖1 5.8GHz整流二極管天線單元結構

參考文獻[2]介紹了一種工作于2.45GHz的整流二極管天線單元,此整流二極管天線工作在2.45GHz頻率時可作為微波能量整流器,工作在3.3GHz頻率時可作為振蕩器。如圖2所示,兩條鋁帶形成偶極子天線和對稱傳輸線,半波偶極子、兩節(jié)低通濾波器、二極管、輸出電容構成了該整流天線。低通濾波器用于阻止高階諧波進入偶極子天線再輻射,輸出電容用于短路射頻能量,負載阻抗為165 Ω。作為整流器時,其射頻—直流轉換效率為85%;作為振蕩器時,其直流—射頻轉換效率為1%。

圖2 半波偶極子整流天線單元結構

雙頻偶極子整流二極管天線可以根據(jù)能量的可獲率(poweravailability),在兩個頻率中選擇其中一個進行能量傳輸,以接收最大的微波能量。參考文獻[3]介紹了一種工作在2.45GHz和5.8GHz的新型雙頻整流二極管天線,其結構如圖3所示。該整流天線由1個雙頻偶極子天線、1個共面帶狀線輸入濾波器、2個CPS帶阻濾波器、1個整流二極管、1個微波阻滯電容構成。雙頻偶極子天線具有雙向輻射和雙面結構,工作在2.45 GHz和5.8 GHz:長偶極子天線工作在2.45 GHz,短偶極子天線工作在5.8 GHz。為了增加天線的增益和獲得單方向性輻射,增放一個反射平板于天線下部17 mm處。CPS低通濾波器由帶阻濾波器構成,其截止頻率為7 GHz,所以它可以通過2.45 GHz和5.8 GHz的信號,并抑制5.8 GHz信號中頻率為11.6 GHz的二階諧波,但同時也讓2.45 GHz信號中頻率為4.9 GHz的二階諧波和頻率為7.35 GHz的三階諧波通過。為了解決此問題,可在CPS條帶外添加新型的終端T型條帶CPS帶通濾波器,用以抑制4.9 GHz和7.35 GHz的高階諧波,抑制4.9 GHz二階諧波的帶阻濾波器的長度為20.1 mm,抑制7.35 GHz三階諧波的帶阻濾波器的長度為10.5 mm,該帶通濾波器結構如圖4所示。在2.45 GHz和5.8 GHz的工作頻率下,由新型雙頻印刷偶極子天線和新型的CPS濾波器相連構成的整流天線的轉換效率可分別達到84.4%和82.7%。

圖3 雙頻整流二極管天線結構

圖4 帶有帶阻濾波器的CPS低通濾波器結構

2.2微帶天線作為接收天線

參考文獻[4]介紹了一種工作于5.5GHz的帶有積分帶阻濾波器的微型整流二極管天線?；鍨殡p層結構,上層采用材料為Duroid5880、厚度為3.175mm的接收天線基片,在此基片上面安裝了圓極化微帶貼片天線;下層采用材料為RO4003、厚度為1.524 mm的介質基片,此基片的下面為帶阻濾波器,兩基片之間為共用地板。在貼片天線上沿貼片的左對角線開兩個相互連接的槽,用以產生右旋圓極化波。整流天線的尺寸為40 mm×40 mm×4.7 mm,微帶天線的尺寸為14.8 mm×14.8 mm。濾波器的結構如圖5所示,在5.5 GHz時,濾波器有小于1 dB的插損;在11 GHz時,濾波器的插損達50 dB,這使得它能很好地抑制頻率為11 GHz的二階諧波。經過測量,當收發(fā)天線彼此之間相距40 cm、傳輸功率為7 W時,最大輸出電壓為2.15 V,最大轉換效率為74%;并且當能量密度高于0.75 mW/cm2 時,轉換效率接近常數(shù)。此整流二極管天線在5.5 GHz時,可用于接收微波能量,也可以用于在5.15~5.35 GHz的數(shù)據(jù)通信。

圖5 帶有濾波器的微型整流二極管天線濾波器結構

參考文獻[5]介紹了一種新型有限地板共面波導(FG-CPW)高增益整流二極管天線,如圖6所示。整流天線采用的FG-CPW結構不僅具有傳統(tǒng)CPW(共面波導)的優(yōu)勢,而且減小了地板面積顯得更為緊湊。為了產生單反向輻射并增加接收天線的增益,在接收天線下面增加了一個金屬板,用以減小反向輻射。整流天線采用緊湊CPW諧振單元(CCRC)作為濾波器,CCRC濾波器通過來自接收天線的5.8GHz信號并且阻止由整流設備激發(fā)的11.6GHz的二階諧波進入接收天線,其結構如圖7所示。經過測量,在沒有CCRC時,整流天線在負載為270Ω、輸入能量為18 dBm時,轉換效率的峰值為62.5%,在引入CCRC后,轉換效率有6%的提高。

圖6 FG-CPW整流二極管天線結構

圖7 CCRC濾波器結構

大多數(shù)整流裝置的研究集中在2.45GHz和5.8GHz的工作頻率上。在35GHz工作頻率上,整流天線和發(fā)射裝置的效率較低,但這個頻率上的設備的優(yōu)勢在于尺寸更小、傳輸距離更長,在長距離傳輸時,同樣的天線尺寸下,35 GHz系統(tǒng)整體效率比2.45 GHz 和5.8 GHz系統(tǒng)的要高。參考文獻[6]介紹了一種工作在35 GHz的整流天線裝置,其接收天線為貼片天線,尺寸為2.84 mm×2.84 mm,并利用了微帶連接到平板邊緣進行直接饋電,饋線的特性阻抗為50 Ω、0.78 mm寬,插入深度為0.95 mm。整流二極管使用安捷倫HscH-9201砷化鎵肖特基勢壘二極管,該二極管一端接地,一端接入微帶線。輸出濾波器由1/4波長的微帶線和47 pF的電容組成,用于通過偶次諧波和直流電流并阻止奇次諧波通過。輸入濾波器用以阻止直流和諧波流回接收天線。該整流二極管天線的最高轉換效率為52%,此時輸出功率為25.6 mW。

整流天線雙極化有兩個優(yōu)勢:它能使每個單元區(qū)域接收的能量翻倍和整流天線能接收雙線極化或單圓極化信號。另外使用分層設計的方法可以有效地縮小整流天線的尺寸。參考文獻[7]介紹了一種雙極化分層結構縫隙耦合整流二極管天線。該整流天線工作于8.51GHz,使用貼片天線作為接收天線,貼片天線由較輕的泡沫支撐,泡沫的相對介質常數(shù)為1.07,可幫助減少不需要的表面波模式。在泡沫上有由Duroid5880和Sheldahl'sNovaclad G2200兩種材料構成的基片,天線置于最頂上。天線和微帶饋電電路彼此分離,利用縫隙或耦合槽進行從饋電電路到貼片天線的電磁能量耦合。地板包含耦合縫隙,用于分離天線和饋電電路,這樣設計使地板即保護饋電電路免受入射射頻能量的干擾,同時也阻止了由二極管激發(fā)的諧波再輻射。二極管電路置于地板之下。在此設計中,還采用了對兩個垂直極化波分別使用獨立的整流電路的結構,通過兩整流電路之間適當?shù)倪B接使輸出電壓兩倍于單極化的輸出電壓。

在大多數(shù)整流二極管天線設計中,結構大都為傳輸線饋電的窄帶天線加上傳統(tǒng)的匹配電路和濾波器。參考文獻[8]介紹了一種結構新穎的寬帶整流二極管天線,如圖8所示,在此等角螺旋線中心安裝一肖特基二極管,二極管的尺寸用以限制此寬帶天線的上限頻率,天線的總尺寸用以限制下限頻率。此等角螺旋線采用這種結構的優(yōu)勢在于:單平面結構便于二極管的連接,可產生雙極化波,便于在螺旋線的頂端連接直流輸出線。將二極管直接安裝在天線中,使天線既可以提供匹配功能,又能對輸出信號濾波,不僅減小了整流天線的尺寸,還增加了帶寬。

圖8 螺旋型整流二極管天線結構

在無線能量傳輸過程中,收發(fā)天線需要相互精確地直線對準,當不能正確地直線對準時,最大輸出電壓會急劇下降,而傳統(tǒng)的能量發(fā)射和接收部分通常波束寬度狹窄,直線對準較難。參考文獻[9]介紹了一種新型的蝴蝶結型反向硅整流二極管天線,它能夠解決直線對準問題。如圖9所示,此整流天線印制在材料為RogersDuroid5880、厚度為0.7874mm的基片上,工作頻率為5.8 GHz。它的主要組成部分為:兩對由共面帶狀線饋電的蝴蝶結天線、兩個帶通濾波器、一個整流二極管和一個負載阻抗。蝴蝶結型天線工作在5.8 GHz頻率時具有8.45 dBi的增益,比矩形天線高。此結構使用的兩對蝴蝶結天線,其中一對為接收端,接收微波能量;另一對為發(fā)射端,用于調整天線陣列的主波束,使其對準能量源。兩個帶通濾波器均用于抑制高階諧波。外加150 Ω的電阻進行測試,當能量密度為10 mW/cm2時,整流天線的輸出為2.83 V,轉換效率為84.4%,且輸出電壓和轉換效率會隨能量密度的增加而增加。

圖9 蝴蝶結型反向硅整流二極管天線的幾何結構

在大多數(shù)整流天線設計中,增加轉化效率的常用方法是抑制由二極管產生的諧波,所以需在二極管和接收天線中加入一個低通濾波器?？赏ㄟ^使天線具有抑制諧波的特性從而去掉接收天線和整流二極管之間的低通濾波器,以達到減小尺寸和降低成本的目的。參考文獻[10]介紹了一種以扇形天線作為接收天線來抑制諧波的整流天線,微帶扇形天線的扇形角為240°,饋電角為30°,扇形天線可以有效地阻止由非線性二極管產生的4.8GHz和7.2GHz的高階諧波再輻射。該天線還在負載和二極管之間加了一個低通濾波器,以阻止高階諧波進入負載。通過測試,扇形天線的增益為4.677dBi,其能有效地阻止4.8 GHz和7.2 GHz諧波的再輻射;整流天線的輸入能量為10 dBm、負載為150 Ω時轉換效率達到最大,為77.8%。圖10展示了扇形接收天線的尺寸,圖11為該整流天線的結構。

圖10 扇形接收天線的尺寸

圖11 扇形整流二極管天線結構

3 時間反演算法

時間反演技術是1992年由M.Fink首先提出的,最初用于超聲波探測,采用這種技術能使在均勻和非均勻媒質中傳播的聲波實現(xiàn)時間和空間的同步聚焦,因此可用于復雜媒質中目標的探測。其他的一些技術,如自適應時間延遲聚焦法、相位共扼法等,對于所探測目標的位置和周圍媒質的特性等都有一些特殊的要求。而采用TR技術進行目標探測則具有更多的自由度,可以在更多情況下實現(xiàn)目標的高分辨率成像。TR技術在超聲波探癌、水下的聲波通信等方面取得了一定的成果[11~14]。

近幾年,人們開始研究TR技術在電磁波領域的應用[15~21]。人們發(fā)現(xiàn),在電磁波的傳播中利用TR技術同樣可以實現(xiàn)電磁波的時間和空間同步聚焦,因此,它還可用于目標的探測,如微波成像[19]、醫(yī)學治癌[20,21]等。同時,也逐步開展了其在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中的應用研究。

無線傳感器網絡中TR技術的基本原理是利用“一到多”和“多到一”的信道傳輸模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。其具體實現(xiàn)可分為3個步驟:首先,由信號源向周邊多個傳感器發(fā)送一個沖擊信號(“一到多”傳輸),以確立空間傳輸信道的物理特性(或者是獲得空間物理信道的沖擊響應特性),如圖12(a)所示;其次,周邊的傳感器對自身所接收的沖擊響應信號hr(t)進行數(shù)據(jù)“存儲”;最后,周邊的傳感器分別將自身所接收的沖擊響應信號以反向時間hr(T-t)進行發(fā)送和傳輸(“多到一”傳輸),通過空間傳播后,各信號重新匯聚于信源,構成無線傳播信號的空間聚焦,如圖12(b)所示。同時,由于各個傳感器所記錄的信道響應已充分考慮了不同路徑所引入的空間相位延遲以及非均勻介質所帶來的影響,所以,來自周邊各個傳感器的信號除了能夠在空間上匯聚于一點之外,而且還可以實現(xiàn)在同一時刻到達,即同時實現(xiàn)時間與空間上的聚焦。正是由于TR技術能夠在復雜的電磁環(huán)境中實現(xiàn)時-空聚焦,所以能很好地解決非均勻介質、色散媒質中的無線信號傳輸以及信號源的自我定位。

圖12 時間反演無線空間數(shù)據(jù)傳輸過程

基于TR技術的無線傳感器網絡的研究,目前在國際上仍處于研究初期,僅有美國RichardJ.Barton教授領導的研究小組取得了一些成果。但是可以深刻認識到利用時間反演算法的時-空聚焦特性,可以解決無線信道傳輸中的多徑效應、非均勻介質中的信號傳輸、網絡節(jié)點的精確定位等問題,進而解決傳感器能量供應與補充、網絡信息的安全性與可靠性傳輸?shù)葐栴}。TR技術在無線傳感器網絡技術研究中的巨大應用潛力遠沒被人們發(fā)現(xiàn)和認識。

無線傳感器網絡的能量問題可以通過TR技術和整流天線技術相結合來解決,無線傳感器網絡中的整流天線是無線通信和無線輸能兩種功能的復用,對基于TR技術的整流天線的研究,將為中國在無線傳感器網絡技術的研究領域里搶占新的至高點,為未來低成本、低耗能、高安全可靠、持久工作的無線傳感器網絡的系統(tǒng)設計提供一系列的最新技術及解決方案。

4 結束語

整流天線技術和時間反演算法是解決無線傳感器網絡節(jié)點能量補充問題的重要研究途徑。通過上述介紹,可以看出目前的整流二極管天線與無線傳感器網絡所需要的整流天線還存在一定差異,設計出體積小、重量輕、轉換效率高的整流二極管天線是無線傳感器網絡無線輸能技術的研究目標。

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