CN113258991B - 一种散射通信***、微带天线、阵列及通信距离提升方法 - Google Patents

一种散射通信***、微带天线、阵列及通信距离提升方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种散射通信***、微带天线、阵列及通信距离提升方法，散射通信***，设置微带天线阵列、第一ADG902和第二ADG902，第一ADG902的RF1端口和第二ADG902的RF1端口分别与微带天线阵列并联；第一ADG902的RF2端口与串联设置检波电路；第二ADG902的RF2端口与串联设置散射通信电路；第一ADG902的CTRL端口和第二ADG902的CTRL端口与FPGA串联，检波电路与FPGA串联。传统的散射通信***需要进行检波和散射通信的时候往往需要两个天线同时进行操作，这就加大了天线之间耦合产生的副作用，本发明采用两个ADG902同一个天线并联的形式，并且利用FPGA进行ADG控制位置的操控，降低副作用，提高运行效率。

Description

一种散射通信***、微带天线、阵列及通信距离提升方法
技术领域
本发明属于天线阵列优化的应用领域，具体涉及一种散射通信***、微带天线、阵列及通信距离提升方法。
背景技术
传统的通信***往往需要依靠导线来进行数据的传输，对通信的距离和便携性带来了很大的限制，而无线通信技术打破了这一限制。目前无线通信***的稳定性和准确性虽然没有达到有线通信一样的水准，但对于人们的日常使用来说，已经相差无几。一般的无线通信***都是利用天线的辐射特性，而随着物联网设备的增多，散射通信慢慢占到了主要的位置，而散射通信的距离一直是整个***的关键，也是主要的攻克点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种散射通信***、微带天线、阵列及通信距离提升方法，提升***运行效率。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括：
一种散射通信***，其特征在于，设置微带天线阵列、第一ADG902和第二ADG902，第一ADG902的RF1端口和第二ADG902的RF1端口分别与微带天线阵列并联；
第一ADG902的RF2端口与串联设置检波电路；
第二ADG902的RF2端口与串联设置散射通信电路；
第一ADG902的CTRL端口和第二ADG902的CTRL端口与FPGA串联，检波电路与FPGA串联。
可选的，FPGA控制第一ADG902连接RF1和RF2，微带天线阵列的辐射特性接收电磁波，检波电路开始工作，当明确信号的具体接收位置及时间后，FPGA控制断开第一ADG902并连接第二ADG902的RF1和RF2，微带天线阵列的散射特性开始工作，进行散射通信。
可选的，所述的微带天线阵列由多个微带天线按阵列形式连接组成；
所述的微带天线包括介质基板，在介质基板表面覆盖设置辐射贴片，与辐射贴片于宽度方向连接设置馈线，与馈线垂直相交设置支节。
可选的，辐射贴片长度L＝13.4mm，辐射贴片宽度W＝17.5mm，馈线宽度wt＝1.98mm，支节长度li＝10.5mm，支节与辐射贴片的距离hi＝4.5mm。
可选的，微带天线的馈线延长并沿垂直方向弯折后形成延迟线，延迟线长度DH和相邻微带天线之间的微带天线间距d通过遗传算法进行参数优化。
一种微带天线，包括介质基板，在介质基板表面覆盖设置辐射贴片，与辐射贴片(2)于宽度方向连接设置馈线，与馈线垂直相交设置支节。
一种微带天线阵列，由本发明所述的微带天线按阵列形式连接组成。
可选的，微带天线的馈线延长并沿垂直方向弯折后形成延迟线，延迟线长度DH和相邻微带天线之间的微带天线间距d通过遗传算法进行参数优化。
一种通信距离提升方法，设置散射通信***，所述的散射通信***为本发明任一所述的散射通信***，包括：
S1：优化微带天线阵列参数，微带天线阵列参数包括微带天线间距d、延迟线长度DH、辐射贴片长度L及支节长度li；
S2：微带天线阵列参数分别设置为单独的变量，利用遗传算法进行初始微带天线阵列参数的初步优化，然后再利用遗传算法与HFSS的脚本文件共同编写，将初步优化过的微带天线阵列参数写进HFSS的脚本中进行仿真，在保证辐射基本性能的前提下，提升散射通信***的散射性能及散射距离。
可选的，遗传算法中，以S11值、辐射方向图和RCS最大值为基础构建适应度函数，进行微带天线阵列参数的优化；根据优化后微带天线阵列参数显示的适应度函数变化值，跳出局部最优值，得到整体最优值。
为使得***能够更高效率的进行，使用两个ADG902搭建的电路进行信号的检波和散射通信。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1为本发明的散射通信***结构示意图；
图2为图1的工作原理图；
图3为本发明的微带天线结构图；
图4为本发明的微带天线阵列结构图；
图5为参数优化后微带天线阵列辐射方向图；
图6为参数优化后微带天线阵列散射图；
图7为本发明的微带天线阵列实验场景图；
图8为本发明的微带天线阵列利用遗传算法进行参数优化前后天线辐射强度对比图；
图9为本发明的微带天线阵列利用遗传算法进行参数优化前后天线散射强度对比图；
图10为本发明的微带天线阵列利用遗传算法进行参数优化前后天线S11对比图；
图中各标号表示为：
1-介质基板、2-辐射贴片、3-馈线、4-支节；
L-辐射贴片长度、W-辐射贴片宽度、wt-馈线宽度、li-支节长度、hi-支节与辐射贴片的距离、h-介质基板的厚度、ΔL为辐射缝隙长度、εr介质基板的介电常数、DH-延迟线长度、d-微带天线间距。
具体实施方式
以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，以下所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，并非全部实施例，也并未对本发明做任何形式上的限制，凡是利用本实施例的技术方案，包括对本实施例做了简单的变化，均属于本发明保护的范围。
基于天线阵列的散射通信***，其工作原理只要在于天线辐射和散射状态的切换。本发明采用两个ADG902并联的方式，天线首先进行辐射特性的工作，接收大气中的电磁波，通过检波电路来确定信号的检波位置，多用于信号的解调，然后天线切换到散射状态，进行散射通信。具体电路连接如图1所示，具体的，散射通信***设置微带天线阵列、第一ADG902和第二ADG902，第一ADG902的RF1端口和第二ADG902的RF1端口分别与微带天线阵列并联；第一ADG902的RF2端口与串联设置检波电路；第二ADG902的RF2端口与串联设置散射通信电路；第一ADG902的CTRL端口和第二ADG902的CTRL端口与FPGA串联，检波电路与FPGA串联。传统散射通信多使用两个天线进行工作，将辐射和散射的功能进行了割裂，增加了***的功耗以及设计的成本，且多个天线阵列同时放置时要考虑到相互之间的影响，天线的散射RCS值本就不如辐射增益，可能会间接引起散射的衰减，使得通信***无法正常传输信号。而在本设计中，将辐射和散射在同一个天线中考虑，完全消除了天线之间的影响，虽然可能辐射性能不如传统方案，但本发明的目的只是进行检波工作，已经足够使用，而整个***的关键是散射通信的正常运行。
本发明中提到的辐射基本性能，辐射的基本性能表现在信号的接收和发送，而在本设计中只是用到了信号的接收工作。主要为辐射的增益值，其中增益为接收或者发送信号的强度值；方向图的形状，实现波束赋形后可以使得不同方向的信号更大效率的接收，且减少了能源的浪费，以往信号较弱时，通过调整方向图的形状，使得方向图指向信号发送的地方，从而***依然可以正常的运行。
本发明中提到的散射通信***的散射性能及散射距离，散射性能主要为天线的RCS值，当RCS值较大时，信号的散射强度更大，通过天线散射的信号传输距离更远。
本发明的散射通信***中用到检波电路与散射通信电路，本领域任意的检波电路与散射通信电路皆可。
传统的散射通信***需要进行检波和散射通信的时候往往需要两个天线同时进行操作，这就加大了天线之间耦合产生的副作用，本发明采用两个ADG902同一个天线并联的形式，并且利用FPGA进行ADG控制位置的操控。第一个ADG902的RF2端口连接任意检波电路，第二个ADG902的RF2端口连接任意散射通信电路。检波电路的另一端以及两个ADG902的CTRL端口连接FPGA进行ADG902运行状态的控制。
结合图2，本发明的散射通信***的运行流程具体为：首先FPGA控制第一个ADG902连接RF1和RF2，天线的辐射特性接收电磁波，检波电路开始工作，当明确信号的具体接收位置及时间后，FPGA控制断开第一个ADG902并连接第二个ADG902，天线的散射特性开始工作，进行散射通信。
结合图3和4，本发明的微带天线的基本单元包括介质基板1，在介质基板1表面覆盖设置辐射贴片2，如图3中显示的结构，辐射贴片2为矩形的金属贴片，与辐射贴片2于宽度方向连接设置馈线3，馈线3也为矩形的片体结构，与馈线3垂直相交设置支节4，支节4也为矩形的片体结构，优选的，辐射贴片2、馈线3和支节4为无缝连接的一体结构；通过微带天线基本单元的阵列有序排列进行微带天线阵列的布设，微带天线的馈线3延长并沿垂直方向弯折后形成延迟线，延迟线长度DH和相邻微带天线之间的微带天线间距d通过遗传算法进行参数优化。传统的微带天线增益值较低，辐射方向图的波瓣较宽，不仅会造成能源的浪费，也会在接收信号时由于副瓣的原因造成干扰，且宽带较窄，传输信号时可能会在外界影响造成频点偏移时无法正常接收信号。而传统的微带天线阵列仅考虑到了天线的辐射特性，其散射特性往往较差，并不适合用于散射通信。而本设计不仅在辐射方向上进行改进，可以实时进行方向的调整，使得波束更加的聚集，且散射特性可以用于通信***中，实时单个天线两种性能的同时满足。
在本发明中，整个散射通信***中需要同时用到微带天线的辐射和散射特性，因此采用基于天线阵列辐射散射特性的折衷设计。根据实际应用及使用限制，如中心频率，基板尺寸等，对微带天线阵列进行建模。考虑到最终设计的天线便于WIFI通信，选用微带天线的主频率f是5.225GHZ，介质基板选用较为常见的FR-4环氧树脂板，εr介质基板的介电常数为4.4，介质基板的厚度h选用1mm，此时由公式1、2确定辐射贴片长度L为13.4mm，辐射贴片宽度W为17.5mm。其中εe为介质基板的相对介电常数，λe为导波波长，ΔL为辐射缝隙长度，c为光速；
Figure BDA0003017973590000051
Figure BDA0003017973590000052
微带天线的馈电由传输线将馈电口与贴片连接起来，传统的馈电口的输入阻抗Z0为50ohm，馈线宽度wt可由式3计算，此时馈线宽度wt为1.98mm。
Figure BDA0003017973590000053
辐射贴片的边缘阻抗在100ohm～400ohm，与输入端口的阻抗值差异较大，考虑到整个天线的空间距离，采用并联开路支节的方式进行阻抗匹配，hi代表支节跟贴片的距离，li代表支节的长度，支节的宽度与传输线的线宽一致，ρ为驻波系数,λ为波长，由式4、5可计算得出hi为4.5mm，li为10.5mm。
Figure BDA0003017973590000054
Figure BDA0003017973590000055
图4为完整的微带天线阵列(以2*4阵列为例)，初始微带天线间距d设置为波长的一半，保证天线单元之间的耦合现象处于可控的范围内，延迟线长度DH保证全部相同，使得初始状态下幅同相；多个1分2功分器连接形成1分8功分器，八阵元天线可以单个馈电口实现统一的馈电，既减少了后续馈电的复杂度，也使得每个阵元在初始阶段获得等幅同相的激励。以馈线的方式连接，保证天线在改变间距的同时也可以对其传输线长度发生变化，从而能使得相位变化引起波束赋形。而增加传输线同时使得表面覆铜的面积增加，外来电磁波更容易激起电路传输线的震荡从而产生好的散射性能，主要表现在结构模式项和天线模式项上两个方面的提升。
一种通信距离提升方法，设置散射通信***，散射通信***为本发明的散射通信***，包括：
S1：优化微带天线阵列参数，微带天线阵列参数包括微带天线间距d、延迟线长度DH、辐射贴片长度L及支节长度li；
S2：微带天线阵列参数分别设置为单独的变量，利用遗传算法进行初始微带天线阵列参数的初步优化，然后再利用遗传算法与HFSS的脚本文件共同编写，将初步优化过的微带天线阵列参数写进HFSS的脚本中进行仿真，在保证辐射基本性能的前提下，提升散射通信***的散射性能及散射距离。
还有，遗传算法中，以S11值、辐射方向图和RCS最大值为基础构建适应度函数，进行微带天线阵列参数的优化；根据优化后微带天线阵列参数显示的适应度函数变化值，跳出局部最优值，得到整体最优值。
具体的，天线的优化目标是散射的提升和辐射的波束赋形。一方面要考虑到辐射性能保证正确接收信号以及检波电路的正常运行，另一方面要考虑到天线的散射性能，搭建电路的目的是为了散射通信，因此散射性能的提升也较为重要。基于此，采用基于天线阵列辐射散射特性的折衷设计，在保证辐射波束赋形的前提下尽可能提升散射性能。由散射原理，散射包括结构模式项和天线模式项，其中结构模式项跟天线阵列摆放位置影响不大，只跟天线的整体大小、材质有关，而天线模式项对阵元间距、延迟线等参数的变化影响较大。考虑到此，对微带天线阵列的辐射和散射有了共同的优化目标，并且对需要优化的变量进行单独设置。其中微带天线阵列参数有微带天线间距d、延迟线长度DH、辐射贴片长度L及支节长度li。在天线模型的建立过程中，将其分别设置为单独的变量，在之后的优化过程中方便对其进行更改调整。
针对天线阵列性能的优化，采用遗传算法对微带天线阵列参数进行优化。模型搭建完毕后，将遗传算法与HFSS的脚本文件共同编写，将算法优化过的微带天线阵列参数写进HFSS的脚本中进行仿真，在保证辐射基本性能的前提下，最大限度的提升天线的散射性能，提升整个***的散射距离。其中适应度函数考虑到S11值、辐射方向图、RCS最大值，以此为基础构建适应度函数，根据每次算法优化后的结果对适应度函数的参数值进行优化。
传统的遗传算法的交叉因子往往是一个定值，根据优化后结果显示的适应度函数变化值，当适应度值变化较小且距离最终迭代停止的代数较远时，可适当提高交叉因子的数值，跳出局部最优，以找到整体最优值。(具体参见:遗传算法优化方法来源：(1)GeneticAlgorithms and the Optimal Allocation of Trials.Author:John H.Holland；(2)阵列综合与天线雷达截面控制技术研究作者：王夫蔚)。
图5和6中为优化后天线的仿真结果，辐射增益没有得到明显的提升，但是已经实现了目标中的波束赋形，偏转角度达到15度，而散射的RCS最大值从原有的-3dB提升到了-0.8dB，相对于已有的水平来说，已经有了较大的提升,整个天线的优化流程已经达到了预设的目标值。
实验检测散射通信***的性能。实验区域位于暗室内(如图7所示)，即由吸波材料覆盖的密闭空间内，防止信号的多经干扰。
关于辐射的测试(如图7所示)，以USRP做信号的发生器和接收器，信号发射端连接设计的天线，接收端连接5G天线，从0度到180度以10度为步长进行测试。测试结果如图8所示，虽然辐射强度没有得到明显的提升，但是目的是实现辐射的波束赋形，图中可以明显的看到主瓣的指向发生了明显的偏移，偏移幅度在15度左右。
关于散射的测试：以USRP做信号发射发生器和接收器，信号发射端和接收端连接5G天线，因散射通信的强度相较于辐射来说较弱，所以将发射端的5G天线放在紧贴测试天线的正前方，接收端天线放在距离测试天线5厘米的半圆范围内，从0度到180度以10度为步长进行测试。测试结果如图9所示，因测试天线正前方的5G天线遮挡，使得天线散射值从70度到110度数值的缺失，但从其他角度的数值仍然可以看出散射值提升了1dB左右。
利用矢量网络分析仪对天线的S11值进行测试，如图10所示，相较于等间距的状况，优化后的天线S11图有了明显的下降，同时带宽也得到了展宽。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (2)

1.一种散射通信***，其特征在于，设置微带天线阵列、第一ADG902和第二ADG902，第一ADG902的RF1端口和第二ADG902的RF1端口分别与微带天线阵列并联；
第一ADG902的RF2端口与串联设置检波电路；
第二ADG902的RF2端口与串联设置散射通信电路；
第一ADG902的CTRL端口和第二ADG902的CTRL端口与FPGA串联，检波电路与FPGA串联；
FPGA控制第一ADG902连接RF1和RF2，微带天线阵列的辐射特性接收电磁波，检波电路开始工作，当明确信号的具体接收位置及时间后，FPGA控制断开第一ADG902并连接第二ADG902的RF1和RF2，微带天线阵列的散射特性开始工作，进行散射通信；
所述的微带天线阵列由多个微带天线按阵列形式连接组成；所述的微带天线包括介质基板(1)，在介质基板(1)表面覆盖设置辐射贴片(2)，与辐射贴片(2)于宽度方向连接设置馈线(3)，与馈线(3)垂直相交设置支节(4)；
辐射贴片长度L＝13.4mm，辐射贴片宽度W＝17.5mm，馈线宽度wt＝1.98mm，支节长度li＝10.5mm，支节与辐射贴片的距离hi＝4.5mm；
微带天线的馈线(3)延长并沿垂直方向弯折后形成延迟线，延迟线长度DH和相邻微带天线之间的微带天线间距d通过遗传算法进行参数优化。
2.一种通信距离提升方法，其特征在于，设置散射通信***，所述的散射通信***为权利要求1所述的散射通信***，包括：
S1：优化微带天线阵列参数，微带天线阵列参数包括微带天线间距d、延迟线长度DH、辐射贴片长度L及支节长度li；
S2：微带天线阵列参数分别设置为单独的变量，利用遗传算法进行初始微带天线阵列参数的初步优化，然后再利用遗传算法与HFSS的脚本文件共同编写，将初步优化过的微带天线阵列参数写进HFSS的脚本中进行仿真，在保证辐射基本性能的前提下，提升散射通信***的散射性能及散射距离；
遗传算法中，以S11值、辐射方向图和RCS最大值为基础构建适应度函数，进行微带天线阵列参数的优化；
根据优化后微带天线阵列参数显示的适应度函数变化值，跳出局部最优值，得到整体最优值。
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