微波近場無源中繼裝置設(shè)計

呂文力，姜震華

(1.中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101；2.西安電子科技大學，陜西 西安 710071)

0 引 言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，越來越多的傳統(tǒng)設(shè)備與通信技術(shù)相結(jié)合，達到了萬物聯(lián)網(wǎng)的效果。而對于傳統(tǒng)的水表而言，多數(shù)埋藏于地下，為防止其污染或受損，一般將其置于密封箱內(nèi)。通過將水表與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)水表的智能化，達到簡化用水量讀取和用水量智能監(jiān)控的目的。要想實現(xiàn)水表數(shù)據(jù)與外界終端的高效傳輸，必須要克服本身密封箱的阻隔以及土壤對信號的衰減等問題。因此，本文設(shè)計了一種非接觸式微波近場中繼裝置，使用該裝置可實現(xiàn)水表與外界接收端信號的高效傳輸。

借鑒于已有的復(fù)輻射技術(shù)[1]，通常在2個天線之間采用有線連接，這可以保證收發(fā)天線間能量的傳輸效率，但是此方案在嚴格的無損封閉環(huán)境下是不可采用的；在高效傳輸上，可采用聚焦天線[2]來實現(xiàn)，但是采用聚焦天線的成本將會大大提高，不利于實際投入使用，且大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度；一些有源的中繼裝置的使用能夠提高傳輸質(zhì)量，但同時也極大提高了系統(tǒng)的成本，制約了實際投入使用。復(fù)輻射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 智能水表復(fù)輻射系統(tǒng)示意圖

綜合以上各項考量，在保證傳輸質(zhì)量的前提下，本設(shè)計提出了一種適用于微波近場傳輸?shù)臒o源中繼裝置。該裝置在較好滿足裝置功能性的基礎(chǔ)上，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于加工等優(yōu)點。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 傳輸模型分析

本文基于磁耦合諧振原理[3]，設(shè)計了一種微波無源中繼裝置。根據(jù)系統(tǒng)傳輸模型可以建立如圖2所示的等效電路圖[4-5]。圖2中，Us為高頻信號源，L為發(fā)射和接收裝置的等效電感，R為發(fā)射裝置與接收裝置在高頻下的等效電阻，M為裝置間的互感，C為包括寄生電容在內(nèi)的總電容，D為裝置間距離。

圖2 傳輸系統(tǒng)等效電路示意圖

根據(jù)等效電路，可以列出KVL方程：

(1)

輸出功率和接收功率分別為：Pin=Re[UsI1]，Pout=|IRL|2RL，效率為η=Pout/Pin。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

綜合以上理論分析，當兩端諧振器具有相同的諧振頻率時，可實現(xiàn)良好的傳輸。本設(shè)計中中繼器收發(fā)采用結(jié)構(gòu)完全相同的反對稱形的環(huán)形諧振器，單個諧振器結(jié)構(gòu)如圖3所示，由2個反對稱環(huán)形臂構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)采用同軸饋電?？紤]到同軸線饋電的不均勻性，因此在饋線的頂端加上了扼流套，以此在中心頻率處實現(xiàn)了平衡饋電，提高了整個裝置的性能。

圖3 單個諧振結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖4和圖5為單個諧振結(jié)構(gòu)的細節(jié)圖，r1為環(huán)形臂半徑，L1為扼流套長度，A為環(huán)形臂所旋轉(zhuǎn)的弧度。

圖4 單個諧振結(jié)構(gòu)主視圖

圖5 單個諧振結(jié)構(gòu)俯視圖

2 仿真分析

2.1 總體模型優(yōu)化分析

考慮中繼裝置實際工作情況，建立如圖6所示的總體結(jié)構(gòu)模型，在內(nèi)外裝置之間設(shè)計一層聚四氟乙烯，以模擬水表密封盒對整個裝置的影響。扼流套長度L1一般在四分之一波長左右，環(huán)半徑在四分之一波長左右，通過調(diào)整弧度A的值，調(diào)節(jié)諧振頻率的大小。對相關(guān)參數(shù)簡單優(yōu)化后，可實現(xiàn)總體裝置在ISM頻段內(nèi)的良好工作。

圖6 中繼裝置總體模型主視圖

2.2 結(jié)果分析

如圖6所示的整體模型，微調(diào)弧度A的大小，如圖7所示，可以看到，諧振頻率的大小受A的大小影響，當A=91.5°時，諧振頻率恰好在中心頻率2.45 GHz處。如圖8所示，微調(diào)扼流套長度L1的長度，可以看到，L1的大小影響中繼裝置的諧振強度，當L1=30 mm時，諧振強度最強。微調(diào)優(yōu)化后，最終關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：r1=31 mm，L1=30 mm，A=91.5°。

圖7 中繼裝置諧振頻率與弧度A的關(guān)系

圖8 中繼裝置諧振頻率與L1的關(guān)系

圖9 中繼裝置S參數(shù)仿真結(jié)果圖

最終S參數(shù)的仿真結(jié)果如圖9所示。可以看到，在中心頻率2.45 GHz處，此時損耗僅有-0.49 dB，發(fā)射和接收兩端口之間可以實現(xiàn)良好傳輸。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種適用于非接觸條件下的微波無源中繼裝置，主要針對于智能水表的通信應(yīng)用，由于其較好的可移植性，也可將其拓展到其他應(yīng)用場景下。該裝置工作于近場環(huán)境下，基于耦合諧振原理工作。通過仿真軟件建模及分析，驗證了該裝置的實用性。與其它的一些非接觸中繼方式相比，該裝置能在保證高效傳輸?shù)幕A(chǔ)上，做到結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，成本低廉，該設(shè)計具有一定的商用價值。