一种现代反向散射通信系统硬件的优化方法技术方案

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。

【技术实现步骤摘要】
一种现代反向散射通信系统硬件的优化方法
本专利技术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。
技术介绍
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(RadioFrequencyIdentification，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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。该专利技术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,然后把本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n(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。/n(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。/n(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R...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨盘隆，李向阳，徐玥，
申请(专利权)人：德清阿尔法创新研究院，
类型：发明
国别省市：浙江;33