无线传感器网络中的整流天线技术研究进展

2017-05-01 by:CAE仿真在线来源:互联网

无线传感器网络(wirelesssensornetwork,WSN)是一种新兴的网络技术,由微小的无线传感器组成,其无线传感器网络节点具备感应、信息处理和无线通信能力。无线传感器网络有广阔的应用前景,可广泛用于军事、环境、医疗保健、空间探索及各种商业运用。无线传感器网络与其他普通数据网络(诸如互联网、移动adhoc网络、电话网络、计算机网络等)相比具有一些共同的特性,同时也具有一些自己的特点。尽管其他数据网络业已成熟的解决方案可以借用到无线传感器网络上来,但是基于无线传感器网络自身的用途和优点,仍需要开发专用的通信协议和路由算法,这已经成为了当前无线传感器网络领域内亟待研究的课题。

无线传感器网络独特的通信信道所具有的不确定性、随机性、色散特性、多径效应、能量急剧衰减等特点,给无线传感器网络的设计带来了前所未有的难题,目前无线传感器网络研究在安全、能量、容错机制、网络结构等4个方面还存在着许多关键技术尚未解决。近来兴起的时间反演(TR)算法在国际上被广泛地运用于通信、电磁仿真、微波乳腺癌探测、宽带天线、环境温度监控等各个技术领域,美国Houston大学的RichardJ.Barton教授也正在研究基于协同时间反演算法的无线传感器网络,但是目前的这些研究才刚刚开始,很多技术和理论上的问题亟待解决。

无线传感器网络中的网络节点众多,并且需要进行实时检测、数据处理,一般节点均采用电池供电,可使用的电量非常有限,且对成千上万个节点更换电池非常困难,而太阳能电池显然体积过于庞大。为了使无线传感器网络具有持久的工作能力,目前的解决方法是通过制定让大多数节点处于自适应休眠和唤醒的工作模式来节省电能的消耗,并利用时间反演技术的时—空聚焦特性,对没有电的无线传感器节点进行无线输能。根据国际上最新发布的研究成果来看,将无线输能技术和时间反演算法相互结合正在成为解决无线传感器网络中能量问题的一个重要研究趋势。

整流天线的研究现状

近代无线输能技术的系统研究是从20世纪60年代初开始的,当时应用在太阳能卫星、直升飞机空中通信接力平台以及地面两地间的输送电能上,以解决沙漠、孤岛、峡谷等复杂环境中的电能输送问题。20世纪90年代以来,微波集成和半导体技术的发展又为无线输能开拓了新的应用领域——微系统领域,如电子标签和微型机械。微型机械因体积小重量轻,限制了其在机燃料的重量和电池寿命,而无线输能系统可弥补此缺陷。

微波能量传输分为3个步骤:第一步直流电能转为射频能量;第二步射频能量经自由空间传送到一些远距离点;第三步,在接收点,能量被收集后转换为直流能量。在无线输能系统中,核心技术就是用于将射频能量转换为直流能量的整流天线,它是由接收天线、匹配网络、整流二极管、直流负载组成的能高效地将微波转换成直流的装置。

对整流天线的研究主要在缩小整流天线的物理尺寸,提高二极管的工作效率、天线捕获微波能量的效率、整流天线的转换效率和入射波的频率上。随着二极管性能的不断提高和整流天线结构的不断优化,其微波—直流的转换效率可以达到90%。另外微波传输的工作频率也在不断提高。由于不同频率的微波受大气层的衰减影响不同,过去的微波传输都倾向于采用2.45GHz的工作频率,因为该频率微波受大气影响衰减小,相关技术比较成熟。近年来,随着高频技术的发展,相关技术有了显著提高,采用高频可大大减小系统体积,从而可降低整个系统的成本,所以在现在的微波输能技术中采用更高的频率如5.8GHz、l0GHz、35 GHz、94 GHz甚至245 GHz成为研究方向。另外利用双频天线、圆极化天线作为接收天线可以提高能量的捕获效率,现也实现了在移动平台中的应用。

整流二极管天线按天线与整流电路间的连接方式不同,可分为天线和整流电路在一个平面内直接连接和天线与整流电路之间通过孔径耦合来实现连接两种;按使用的频率数量可分为单频整流天线和双频整流天线;按接收天线的类型可分为平面印刷偶极子天线作为接收天线的整流天线和微带天线作为接收天线的整流天线。本文按最后一种分类方法来介绍整流二极管天线。

2.1偶极子天线作为接收天线

参考文献[1]介绍了一种印刷整流天线单元,如图1所示,整个单元为一个双平面形式,印刷整流二极管天线电路平行地放置于一个金属反射平板之上。基片材料为RogersDuroid5880且厚度为10mil,在基片的一面印制平行偶极子天线和共面带状线传输线,另一面是3条微带构成的低通滤波器,滤波器可通过5.8 GHz信号并抑制由二极管产生的高次谐波,而且能在偶极子天线和二极管之间起到阻抗匹配的作用。47 pF的贴片电容用于隔离射频能量和通过直流能量,以达到最大化二极管转换效率。阻抗负载放置于CPS(共面带状线)带阻滤波器的终端,为二极管输入阻抗的1.3~1.52倍。该整流天线工作在5.8 GHz频率时,接入326 Ω的负载,最大微波—直流的转换效率为82%。

图1 5.8GHz整流二极管天线单元结构

参考文献[2]介绍了一种工作于2.45GHz的整流二极管天线单元,此整流二极管天线工作在2.45GHz频率时可作为微波能量整流器,工作在3.3GHz频率时可作为振荡器。如图2所示,两条铝带形成偶极子天线和对称传输线,半波偶极子、两节低通滤波器、二极管、输出电容构成了该整流天线。低通滤波器用于阻止高阶谐波进入偶极子天线再辐射,输出电容用于短路射频能量,负载阻抗为165 Ω。作为整流器时,其射频—直流转换效率为85%;作为振荡器时,其直流—射频转换效率为1%。

图2 半波偶极子整流天线单元结构

双频偶极子整流二极管天线可以根据能量的可获率(poweravailability),在两个频率中选择其中一个进行能量传输,以接收最大的微波能量。参考文献[3]介绍了一种工作在2.45GHz和5.8GHz的新型双频整流二极管天线,其结构如图3所示。该整流天线由1个双频偶极子天线、1个共面带状线输入滤波器、2个CPS带阻滤波器、1个整流二极管、1个微波阻滞电容构成。双频偶极子天线具有双向辐射和双面结构,工作在2.45 GHz和5.8 GHz:长偶极子天线工作在2.45 GHz,短偶极子天线工作在5.8 GHz。为了增加天线的增益和获得单方向性辐射,增放一个反射平板于天线下部17 mm处。CPS低通滤波器由带阻滤波器构成,其截止频率为7 GHz,所以它可以通过2.45 GHz和5.8 GHz的信号,并抑制5.8 GHz信号中频率为11.6 GHz的二阶谐波,但同时也让2.45 GHz信号中频率为4.9 GHz的二阶谐波和频率为7.35 GHz的三阶谐波通过。为了解决此问题,可在CPS条带外添加新型的终端T型条带CPS带通滤波器,用以抑制4.9 GHz和7.35 GHz的高阶谐波,抑制4.9 GHz二阶谐波的带阻滤波器的长度为20.1 mm,抑制7.35 GHz三阶谐波的带阻滤波器的长度为10.5 mm,该带通滤波器结构如图4所示。在2.45 GHz和5.8 GHz的工作频率下,由新型双频印刷偶极子天线和新型的CPS滤波器相连构成的整流天线的转换效率可分别达到84.4%和82.7%。

图3 双频整流二极管天线结构

图4 带有带阻滤波器的CPS低通滤波器结构

2.2微带天线作为接收天线

参考文献[4]介绍了一种工作于5.5GHz的带有积分带阻滤波器的微型整流二极管天线。基板为双层结构,上层采用材料为Duroid5880、厚度为3.175mm的接收天线基片,在此基片上面安装了圆极化微带贴片天线;下层采用材料为RO4003、厚度为1.524 mm的介质基片,此基片的下面为带阻滤波器,两基片之间为共用地板。在贴片天线上沿贴片的左对角线开两个相互连接的槽,用以产生右旋圆极化波。整流天线的尺寸为40 mm×40 mm×4.7 mm,微带天线的尺寸为14.8 mm×14.8 mm。滤波器的结构如图5所示,在5.5 GHz时,滤波器有小于1 dB的插损;在11 GHz时,滤波器的插损达50 dB,这使得它能很好地抑制频率为11 GHz的二阶谐波。经过测量,当收发天线彼此之间相距40 cm、传输功率为7 W时,最大输出电压为2.15 V,最大转换效率为74%;并且当能量密度高于0.75 mW/cm2 时,转换效率接近常数。此整流二极管天线在5.5 GHz时,可用于接收微波能量,也可以用于在5.15~5.35 GHz的数据通信。

图5 带有滤波器的微型整流二极管天线滤波器结构

参考文献[5]介绍了一种新型有限地板共面波导(FG-CPW)高增益整流二极管天线,如图6所示。整流天线采用的FG-CPW结构不仅具有传统CPW(共面波导)的优势,而且减小了地板面积显得更为紧凑。为了产生单反向辐射并增加接收天线的增益,在接收天线下面增加了一个金属板,用以减小反向辐射。整流天线采用紧凑CPW谐振单元(CCRC)作为滤波器,CCRC滤波器通过来自接收天线的5.8GHz信号并且阻止由整流设备激发的11.6GHz的二阶谐波进入接收天线,其结构如图7所示。经过测量,在没有CCRC时,整流天线在负载为270Ω、输入能量为18 dBm时,转换效率的峰值为62.5%,在引入CCRC后,转换效率有6%的提高。

图6 FG-CPW整流二极管天线结构

图7 CCRC滤波器结构

大多数整流装置的研究集中在2.45GHz和5.8GHz的工作频率上。在35GHz工作频率上,整流天线和发射装置的效率较低,但这个频率上的设备的优势在于尺寸更小、传输距离更长,在长距离传输时,同样的天线尺寸下,35 GHz系统整体效率比2.45 GHz 和5.8 GHz系统的要高。参考文献[6]介绍了一种工作在35 GHz的整流天线装置,其接收天线为贴片天线,尺寸为2.84 mm×2.84 mm,并利用了微带连接到平板边缘进行直接馈电,馈线的特性阻抗为50 Ω、0.78 mm宽,插入深度为0.95 mm。整流二极管使用安捷伦HscH-9201砷化镓肖特基势垒二极管,该二极管一端接地,一端接入微带线。输出滤波器由1/4波长的微带线和47 pF的电容组成,用于通过偶次谐波和直流电流并阻止奇次谐波通过。输入滤波器用以阻止直流和谐波流回接收天线。该整流二极管天线的最高转换效率为52%,此时输出功率为25.6 mW。

整流天线双极化有两个优势:它能使每个单元区域接收的能量翻倍和整流天线能接收双线极化或单圆极化信号。另外使用分层设计的方法可以有效地缩小整流天线的尺寸。参考文献[7]介绍了一种双极化分层结构缝隙耦合整流二极管天线。该整流天线工作于8.51GHz,使用贴片天线作为接收天线,贴片天线由较轻的泡沫支撑,泡沫的相对介质常数为1.07,可帮助减少不需要的表面波模式。在泡沫上有由Duroid5880和Sheldahl'sNovaclad G2200两种材料构成的基片,天线置于最顶上。天线和微带馈电电路彼此分离,利用缝隙或耦合槽进行从馈电电路到贴片天线的电磁能量耦合。地板包含耦合缝隙,用于分离天线和馈电电路,这样设计使地板即保护馈电电路免受入射射频能量的干扰,同时也阻止了由二极管激发的谐波再辐射。二极管电路置于地板之下。在此设计中,还采用了对两个垂直极化波分别使用独立的整流电路的结构,通过两整流电路之间适当的连接使输出电压两倍于单极化的输出电压。

在大多数整流二极管天线设计中,结构大都为传输线馈电的窄带天线加上传统的匹配电路和滤波器。参考文献[8]介绍了一种结构新颖的宽带整流二极管天线,如图8所示,在此等角螺旋线中心安装一肖特基二极管,二极管的尺寸用以限制此宽带天线的上限频率,天线的总尺寸用以限制下限频率。此等角螺旋线采用这种结构的优势在于:单平面结构便于二极管的连接,可产生双极化波,便于在螺旋线的顶端连接直流输出线。将二极管直接安装在天线中,使天线既可以提供匹配功能,又能对输出信号滤波,不仅减小了整流天线的尺寸,还增加了带宽。

图8 螺旋型整流二极管天线结构

在无线能量传输过程中,收发天线需要相互精确地直线对准,当不能正确地直线对准时,最大输出电压会急剧下降,而传统的能量发射和接收部分通常波束宽度狭窄,直线对准较难。参考文献[9]介绍了一种新型的蝴蝶结型反向硅整流二极管天线,它能够解决直线对准问题。如图9所示,此整流天线印制在材料为RogersDuroid5880、厚度为0.7874mm的基片上,工作频率为5.8 GHz。它的主要组成部分为:两对由共面带状线馈电的蝴蝶结天线、两个带通滤波器、一个整流二极管和一个负载阻抗。蝴蝶结型天线工作在5.8 GHz频率时具有8.45 dBi的增益,比矩形天线高。此结构使用的两对蝴蝶结天线,其中一对为接收端,接收微波能量;另一对为发射端,用于调整天线阵列的主波束,使其对准能量源。两个带通滤波器均用于抑制高阶谐波。外加150 Ω的电阻进行测试,当能量密度为10 mW/cm2时,整流天线的输出为2.83 V,转换效率为84.4%,且输出电压和转换效率会随能量密度的增加而增加。

图9 蝴蝶结型反向硅整流二极管天线的几何结构

在大多数整流天线设计中,增加转化效率的常用方法是抑制由二极管产生的谐波,所以需在二极管和接收天线中加入一个低通滤波器。可通过使天线具有抑制谐波的特性从而去掉接收天线和整流二极管之间的低通滤波器,以达到减小尺寸和降低成本的目的。参考文献[10]介绍了一种以扇形天线作为接收天线来抑制谐波的整流天线,微带扇形天线的扇形角为240°,馈电角为30°,扇形天线可以有效地阻止由非线性二极管产生的4.8GHz和7.2GHz的高阶谐波再辐射。该天线还在负载和二极管之间加了一个低通滤波器,以阻止高阶谐波进入负载。通过测试,扇形天线的增益为4.677dBi,其能有效地阻止4.8 GHz和7.2 GHz谐波的再辐射;整流天线的输入能量为10 dBm、负载为150 Ω时转换效率达到最大,为77.8%。图10展示了扇形接收天线的尺寸,图11为该整流天线的结构。

图10 扇形接收天线的尺寸

图11 扇形整流二极管天线结构

3 时间反演算法

时间反演技术是1992年由M.Fink首先提出的,最初用于超声波探测,采用这种技术能使在均匀和非均匀媒质中传播的声波实现时间和空间的同步聚焦,因此可用于复杂媒质中目标的探测。其他的一些技术,如自适应时间延迟聚焦法、相位共扼法等,对于所探测目标的位置和周围媒质的特性等都有一些特殊的要求。而采用TR技术进行目标探测则具有更多的自由度,可以在更多情况下实现目标的高分辨率成像。TR技术在超声波探癌、水下的声波通信等方面取得了一定的成果[11~14]。

近几年,人们开始研究TR技术在电磁波领域的应用[15~21]。人们发现,在电磁波的传播中利用TR技术同样可以实现电磁波的时间和空间同步聚焦,因此,它还可用于目标的探测,如微波成像[19]、医学治癌[20,21]等。同时,也逐步开展了其在现代无线通信系统中的应用研究。

无线传感器网络中TR技术的基本原理是利用“一到多”和“多到一”的信道传输模式实现数据的无线传输。其具体实现可分为3个步骤:首先,由信号源向周边多个传感器发送一个冲击信号(“一到多”传输),以确立空间传输信道的物理特性(或者是获得空间物理信道的冲击响应特性),如图12(a)所示;其次,周边的传感器对自身所接收的冲击响应信号hr(t)进行数据“存储”;最后,周边的传感器分别将自身所接收的冲击响应信号以反向时间hr(T-t)进行发送和传输(“多到一”传输),通过空间传播后,各信号重新汇聚于信源,构成无线传播信号的空间聚焦,如图12(b)所示。同时,由于各个传感器所记录的信道响应已充分考虑了不同路径所引入的空间相位延迟以及非均匀介质所带来的影响,所以,来自周边各个传感器的信号除了能够在空间上汇聚于一点之外,而且还可以实现在同一时刻到达,即同时实现时间与空间上的聚焦。正是由于TR技术能够在复杂的电磁环境中实现时-空聚焦,所以能很好地解决非均匀介质、色散媒质中的无线信号传输以及信号源的自我定位。

图12 时间反演无线空间数据传输过程

基于TR技术的无线传感器网络的研究,目前在国际上仍处于研究初期,仅有美国RichardJ.Barton教授领导的研究小组取得了一些成果。但是可以深刻认识到利用时间反演算法的时-空聚焦特性,可以解决无线信道传输中的多径效应、非均匀介质中的信号传输、网络节点的精确定位等问题,进而解决传感器能量供应与补充、网络信息的安全性与可靠性传输等问题。TR技术在无线传感器网络技术研究中的巨大应用潜力远没被人们发现和认识。

无线传感器网络的能量问题可以通过TR技术和整流天线技术相结合来解决,无线传感器网络中的整流天线是无线通信和无线输能两种功能的复用,对基于TR技术的整流天线的研究,将为中国在无线传感器网络技术的研究领域里抢占新的至高点,为未来低成本、低耗能、高安全可靠、持久工作的无线传感器网络的系统设计提供一系列的最新技术及解决方案。

4 结束语

整流天线技术和时间反演算法是解决无线传感器网络节点能量补充问题的重要研究途径。通过上述介绍,可以看出目前的整流二极管天线与无线传感器网络所需要的整流天线还存在一定差异,设计出体积小、重量轻、转换效率高的整流二极管天线是无线传感器网络无线输能技术的研究目标。

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