A harmonic uplink transponder based on the re-configurable antenna in wireless sensor networks
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摘要: 在民用航空器电台检查中，无线传感器网络的能源供给问题亟待解决。本文提出了一种基于可重构宽带缝隙天线的新型上行链路调制器结构，实现了低功耗谐波上行通信，降低了信息发射功耗。该结构充分利用整流器产生的二次谐波作为上行载波，通过上行基带信号对可重构宽带缝隙天线进行动态偏置，实现对载波的幅度调制。上行链路调制器的工作频率为2.45 GHz，在−20 dBm的射频输入功率下，仅采用10 μA的调制电流进行通信，减少了节点的信息发射功耗，并且基带信号的调制几乎不影响整流器的转换效率，展示了该调制器的成功应用。该结构具有低成本、低功耗、易集成等优点，在民航无线传感器网络中具有良好的工程应用前景。Abstract: In the inspection of civil aircraft radio stations, the energy supply of wireless sensor networks needs to be solved urgently. In this paper, a novel uplink transponder structure based on re-configurable wideband slot antenna is proposed, which realizes low-power harmonic uplink communication, reducing the power consumption of information transmission. The proposed transponder fully utilizes the second harmonic generated by the rectifier as the uplink carrier. It modulates this carrier in amplitude through a re-configurable broadband slot antenna that is dynamically biased by the uplink baseband signals. The operating frequency of the uplink transponder is 2.45 GHz, and at an RF input power of −20 dBm, only a modulation current of 10 μA is used for communication, which reduces the information transmission power consumption of the WSNs node. Moreover, the modulation of the baseband signal hardly affects the conversion efficiency of the rectifier, demonstrating the successful application of the transponder. The structure has the advantages of low cost, low power consumption, easy integrating, and so on, having good engineering application prospects in WSNs.
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随着我国智慧民航的快速发展，与各类新兴技术的高度融合，无线传感器网络(wireless sensors networks, WSNs)已经在民用航空飞行器中得到了广泛的应用[1-2]。近年来，由于社会各类无线电业务的发展扩大，导致空中无线电电磁环境愈加复杂恶劣[3-4]，民用航空器数量的急剧增加[5-6]，无线电安全问题更为重要。为保障航空器的飞行安全，无线电台检查必不可少，利用WSNs 节点重量轻、易维护和强监测能力等优势[7]，可实现信号的无线传输[8]，减少检查工作量。但目前为止，WSNs节点的供电主要是源于电池，从传感器到基站或传感器节点之间传输数据所消耗的大量电力已成为一个关键问题[9]；在不容易使用有线电力、危险或电缆连接不可行的地区，解决WSNs 节点的供电问题刻不容缓[10]。
合理利用谐波能量有望解决WSNs 节点的供电问题。文献[11]利用双音信号的幅度比调制方法，将信息信号和电源信号以相同的频率放置，进一步减小了传感器的尺寸和所使用的带宽，并实现了向传感器提供恒定的直流功率；文献[12]通过小型的雷达装置和安装在昆虫上的无源射频标签组成了便携式低功耗的谐波雷达；文献[13]设计了一款带有谐波增强耦合器的能量收集接收机，实现了精确的定位检测并有助于波束的形成；文献[14]基于倍频器和环形槽天线系统设计了适用于互联网设备的谐波转发器；文献[15]利用整流电路集成上行无线链路，形成整流发射的集成结构，实现低功耗无线携能通信。
本文充分利用了整流器的非线性特性，通过控制可重构宽带缝隙天线上的PIN 二极管对二次谐波进行幅度调制，实现低功耗谐波上行通信。
1. 上行链路调制器原理
1.1 可重构缝隙天线原理
本文的研究内容是基于PIN二极管的开关特性对宽带天线开缝实现的。由于天线辐射主要是由天线表面流经的电流产生的，通过改变天线的电尺寸会导致面电流分布发生变化，从而改变电流的流经路径，影响天线的特性参数。
频率可重构天线的基本思想就是通过射频开关（PIN 二极管等）来改变天线的结构。当开关闭合时，贴片上的表面电流可以直接通过开关流过缝隙，此时电流平均流经路径较短；而当开关断开时，表面电流必须绕过缝隙流动，这样电流流过的路径变长。在2种不同的开关状态下会产生不同的电流分布，因此谐振频率在2种状态下将发生明显的偏移。
1.2 上行链路调制器原理
如图1所示，本文提出的新型上行链路调制器系统是由工作于f0的整流电路、包含f0和2f0的可重构宽带缝隙天线和无线传感器组成。
图 1 基于可重构宽带缝隙天线的新型上行链路调制器原理
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当基站发射的正弦信号f0被可重构宽带缝隙天线接收后，会传输至整流器（f0）进行整流并输出直流给无线传感器，而传感器采集的数据将用于二次谐波的幅度调制。
2. 系统设计及实验测量
2.1 可重构宽带缝隙天线
如图2所示，利用Ansoft HFSS 18软件进行了仿真分析。宽带天线利用微带馈入梯形辐射贴片及部分地结构实现宽带性能。
图 2 宽带天线及2.45和4.9 GHz处天线表面的电流分布下载:
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图3使用Origin 2018给出了宽带天线的|S11|仿真结果，在2.1~5.8 GHz内，2.45和4.9 GHz处的性能良好，|S11| <–15 dB。
图 3 3种天线的|S11|仿真结果下载:
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如图4所示，选择在合适的位置开槽以实现对二次谐波的控制，同时又不影响基频电流。图2和图4还分别给出了天线开槽前后2.45 GHz和4.9 GHz处的电流分布。可以看出，在该位置开槽既没有对基频电流造成影响，又成功控制了二次谐波。
图 4 缝隙天线及2.45和4.9 GHz处天线表面的电流分布下载:
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实验采用F4B2的介质基板，介电常数2.65，损耗正切0.005，厚度为1 mm。图5使用AutoCAD 2013绘图软件标注了可重构缝隙天线的结构尺寸，单位为mm。天线的可重构性可以通过安装短路桥在如图5所示的位置来实现。开槽后，天线切换为窄带模式，高频处性能较差；放置短路桥后，天线的槽长度减少，电流路径增加，天线恢复宽带模式。加入金属短路桥前后3种天线的|S11|仿真对比结果如图3所示，频率范围从1 GHz变化到6 GHz。可以看出，在基频f0处的|S11|一直低于–20 dB，而对于二次谐波2f0，开槽时天线的|S11|>–2 dB，加入短路桥后，|S11|<−18 dB，恢复了天线的宽带性能。
图 5 加入金属短路桥后的可重构天线下载:
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图3还给出了3种状态下的可重构宽带缝隙天线的|S11|测量结果，基频处|S11|<−15 dB，加入短路桥后，2f0处的|S11|从−3 dB变化到了−18 dB，与仿真结果基本吻合，实现了对天线二次谐波的控制。
2.2 宽带天线可调谐的实现
利用PIN二极管替代金属短路桥实现天线的可调谐，图6使用Auto CAD 2013绘图软件给出了带有二极管和偏置电路的可重构宽带缝隙天线的原理图。图7为可重构天线实物。如图7所示，实验采用F4B2的介质基板，介电常数2.65，损耗正切0.005，厚度为1 mm。可重构天线利用金属化过孔提供二极管所需偏置，实现二极管的同步通断作用。通过改变PIN二极管的状态，使天线的物理尺寸变化，实现宽带和窄带2种不同的效果。
图 6 带有偏置电路和二极管的可重构天线CAD版图下载:
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图 7 可重构天线实物下载:
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2.3 整流电路的实现
如图8所示，整流电路采用介电常数为3.66，正切损耗为0.002，高度为0.762 mm的Rogers 4350B介质板，工作频率为2.45 GHz。整流器使用λ/6短路枝节来抵消HSMS-285B二极管的虚部阻抗，输出采用电感和电容并联的低通滤波器过滤射频信号。
图 8 整流器的实物和原理下载:
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3. 结构实现和实验结果
3.1 可重构天线实测与分析
二次谐波测量系统如图9所示，发射端利用射频信号源发射2f0谐波信号，PIN二极管的偏置由直流源提供；接收端使用20 dB耦合器来检测输出的二次谐波功率水平并同时观察接收频谱的变化。
图 9 二次谐波测量系统下载:
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基于上述测量系统，不同射频输入环境下，二次谐波能量P2f0随偏置电流的变化如图10所示。可以看出3种情况下，曲线的走势基本一致，偏置电流在0~20 μA内，P2f0与偏置电流成正比。
图 10 偏置电流与二次谐波能量下载:
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0、20、100和1000 μA偏置电流下天线的 |S11| 测量结果如图11所示。从图11可以看出，随着偏置电流的增大，天线恢复其宽带性能。
图 11 4种偏置电流下天线的|S11|下载:
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图12给出了在3种状态下，2.45 GHz和4.9 GHz处的天线实测方向图。可以看出基频方向图都呈现良好的全向辐射特性。对于二次谐波2f0，PIN关闭时，天线呈现窄带特性，二次谐波处方向图变差；PIN导通时，方向图与宽带天线方向图基本保持一致。PIN通断状态下天线的实测增益如图13所示。2种状态下，天线在2.45 GHz处的增益都在1.7 dBi附近；而在4.9 GHz处，PIN导通时天线增益为4.2 dBi，PIN关闭时，天线增益降至了3.6 dBi。
图 12 3种状态下天线的实测方向图：包括XZ面和YZ面下载:
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图 13 PIN 导通和关闭状态下的实测增益下载:
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3.2 上行通信测试系统实测与分析
基于该调制器的上行通信实验测量系统如图14所示。基频信号由射频信号源提供，多功能信号源会对调制器产生的二次谐波进行动态偏置。改变射频信号源的输入功率和频率，通过测量负载上的直流电压，得到调制器结构的整流效率，并利用定向耦合器检测接收到的上行谐波信号。
图 14 基于可重构宽带缝隙天线的上行通信测量系统下载:
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为减少功率损耗，调制时采用0 μA和10 μA的偏置电流。图15给出了不同射频输入功率下，偏置电流对微波整流效率的影响。可以看出，相同输入功率下，改变直流偏置对整流效率基本没有影响。
图 15 不同偏置电流下的射频整流效率下载:
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图16给出了−20 dBm发射功率下，接收到的2f0频谱。利用零偏压和10 μA偏压对应50 kHz方波信号的低电平和高电平，当发送方波信号后，整流器产生的二次谐波被调制，并出现±50 kHz的边带，功率为−99.24 dBm，相对噪声为−130 dBm。也就是说，基于可重构宽带缝隙天线的上行链路通信系统成功实现了低功耗谐波上行通信和RF-DC转换的同时进行。
图 16 频谱分析仪接收到的50 kHz调制方波下载:
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4. 结论
本文提出在可重构宽带缝隙天线中集成谐波上行无线链路功能，实现射频整流和上行通信的同时进行。
1）基于可重构宽带缝隙天线，提出一种射频整流与通信发射集成的新型谐波上行链路调制器结构。在相同输入功率下，改变偏置电压进行信号调制，几乎对整流转换效率没有影响，展示了该结构在无线传感器网络中的成功应用。
2）利用整流产生的二次谐波作为上行信号，无需其他有源发射组件；通信时采用低于10 μA的调制电流，减少了信息发射功耗。
3）在−20 dBm射频输入功率下，利用频谱分析仪接收到了2f0载波功率电平和50 kHz边带调制信号，实现了RF-DC转换和低功率上行通信的同时进行。
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图 1 基于可重构宽带缝隙天线的新型上行链路调制器原理
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图 2 宽带天线及2.45和4.9 GHz处天线表面的电流分布
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图 3 3种天线的|S11|仿真结果
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图 4 缝隙天线及2.45和4.9 GHz处天线表面的电流分布
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图 5 加入金属短路桥后的可重构天线
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图 6 带有偏置电路和二极管的可重构天线CAD版图
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图 7 可重构天线实物
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图 8 整流器的实物和原理
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图 9 二次谐波测量系统
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图 10 偏置电流与二次谐波能量
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图 11 4种偏置电流下天线的|S11|
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图 12 3种状态下天线的实测方向图：包括XZ面和YZ面
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图 13 PIN 导通和关闭状态下的实测增益
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图 14 基于可重构宽带缝隙天线的上行通信测量系统
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图 15 不同偏置电流下的射频整流效率
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图 16 频谱分析仪接收到的50 kHz调制方波
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