微波近場無源中繼裝置設計

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，隨著物聯網技術的興起，越來越多的傳統設備與通信技術相結合，達到了萬物聯網的效果。而對于傳統的水表而言，多數埋藏于地下，為防止其污染或受損，一般將其置于密封箱內。通過將水表與現代通信技術相結合，可以實現水表的智能化，達到簡化用水量讀取和用水量智能監控的目的。要想實現水表數據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，本文設計了一種非接觸式微波近場中繼裝置，使用該裝置可實現水表與外界接收端信號的高效傳輸。

借鑒于已有的復輻射技術[1]，通常在2個天線之間采用有線連接，這可以保證收發天線間能量的傳輸效率，但是此方案在嚴格的無損封閉環境下是不可采用的；在高效傳輸上，可采用聚焦天線[2]來實現，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，且大大增加了系統的復雜度；一些有源的中繼裝置的使用能夠提高傳輸質量，但同時也極大提高了系統的成本，制約了實際投入使用。復輻射系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 智能水表復輻射系統示意圖

綜合以上各項考量，在保證傳輸質量的前提下，本設計提出了一種適用于微波近場傳輸的無源中繼裝置。該裝置在較好滿足裝置功能性的基礎上，具有結構簡單、易于加工等優點。

1 結構設計

1.1 傳輸模型分析

本文基于磁耦合諧振原理[3]，設計了一種微波無源中繼裝置。根據系統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為發射和接收裝置的等效電感，R為發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的總電容，D為裝置間距離。

圖2 傳輸系統等效電路示意圖

根據等效電路，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 結構設計

綜合以上理論分析，當兩端諧振器具有相同的諧振頻率時，可實現良好的傳輸。本設計中中繼器收發采用結構完全相同的反對稱形的環形諧振器，單個諧振器結構如圖3所示，由2個反對稱環形臂構成，該結構采用同軸饋電。考慮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了平衡饋電，提高了整個裝置的性能。

圖3 單個諧振結構結構圖

圖4和圖5為單個諧振結構的細節圖，r1為環形臂半徑，L1為扼流套長度，A為環形臂所旋轉的弧度。

圖4 單個諧振結構主視圖

圖5 單個諧振結構俯視圖

2 仿真分析

2.1 總體模型優化分析

考慮中繼裝置實際工作情況，建立如圖6所示的總體結構模型，在內外裝置之間設計一層聚四氟乙烯，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，環半徑在四分之一波長左右，通過調整弧度A的值，調節諧振頻率的大小。對相關參數簡單優化后，可實現總體裝置在ISM頻段內的良好工作。

圖6 中繼裝置總體模型主視圖

2.2 結果分析

如圖6所示的整體模型，微調弧度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。微調優化后，最終關鍵結構參數如下：r1=31 mm，L1=30 mm，A=91.5°。

圖7 中繼裝置諧振頻率與弧度A的關系

圖8 中繼裝置諧振頻率與L1的關系

圖9 中繼裝置S參數仿真結果圖

最終S參數的仿真結果如圖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，發射和接收兩端口之間可以實現良好傳輸。

3 結束語

本文設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用，由于其較好的可移植性，也可將其拓展到其他應用場景下。該裝置工作于近場環境下，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的基礎上，做到結構簡單，易于加工，成本低廉，該設計具有一定的商用價值。