微波近场无源中继装置设计

吕文力，姜震华

(1.中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101；2.西安电子科技大学，陕西 西安 710071)

0 引 言

近年来，随着物联网技术的兴起，越来越多的传统设备与通信技术相结合，达到了万物联网的效果。而对于传统的水表而言，多数埋藏于地下，为防止其污染或受损，一般将其置于密封箱内。通过将水表与现代通信技术相结合，可以实现水表的智能化，达到简化用水量读取和用水量智能监控的目的。要想实现水表数据与外界终端的高效传输，必须要克服本身密封箱的阻隔以及土壤对信号的衰减等问题。因此，本文设计了一种非接触式微波近场中继装置，使用该装置可实现水表与外界接收端信号的高效传输。

借鉴于已有的复辐射技术[1]，通常在2个天线之间采用有线连接，这可以保证收发天线间能量的传输效率，但是此方案在严格的无损封闭环境下是不可采用的；在高效传输上，可采用聚焦天线[2]来实现，但是采用聚焦天线的成本将会大大提高，不利于实际投入使用，且大大增加了系统的复杂度；一些有源的中继装置的使用能够提高传输质量，但同时也极大提高了系统的成本，制约了实际投入使用。复辐射系统结构示意图如图1所示。

图1 智能水表复辐射系统示意图

综合以上各项考量，在保证传输质量的前提下，本设计提出了一种适用于微波近场传输的无源中继装置。该装置在较好满足装置功能性的基础上，具有结构简单、易于加工等优点。

1 结构设计

1.1 传输模型分析

本文基于磁耦合谐振原理[3]，设计了一种微波无源中继装置。根据系统传输模型可以建立如图2所示的等效电路图[4-5]。图2中，Us为高频信号源，L为发射和接收装置的等效电感，R为发射装置与接收装置在高频下的等效电阻，M为装置间的互感，C为包括寄生电容在内的总电容，D为装置间距离。

图2 传输系统等效电路示意图

根据等效电路，可以列出KVL方程：

(1)

输出功率和接收功率分别为：Pin=Re[UsI1]，Pout=|IRL|2RL，效率为η=Pout/Pin。

1.2 结构设计

综合以上理论分析，当两端谐振器具有相同的谐振频率时，可实现良好的传输。本设计中中继器收发采用结构完全相同的反对称形的环形谐振器，单个谐振器结构如图3所示，由2个反对称环形臂构成，该结构采用同轴馈电。考虑到同轴线馈电的不均匀性，因此在馈线的顶端加上了扼流套，以此在中心频率处实现了平衡馈电，提高了整个装置的性能。

图3 单个谐振结构结构图

图4和图5为单个谐振结构的细节图，r1为环形臂半径，L1为扼流套长度，A为环形臂所旋转的弧度。

图4 单个谐振结构主视图

图5 单个谐振结构俯视图

2 仿真分析

2.1 总体模型优化分析

考虑中继装置实际工作情况，建立如图6所示的总体结构模型，在内外装置之间设计一层聚四氟乙烯，以模拟水表密封盒对整个装置的影响。扼流套长度L1一般在四分之一波长左右，环半径在四分之一波长左右，通过调整弧度A的值，调节谐振频率的大小。对相关参数简单优化后，可实现总体装置在ISM频段内的良好工作。

图6 中继装置总体模型主视图

2.2 结果分析

如图6所示的整体模型，微调弧度A的大小，如图7所示，可以看到，谐振频率的大小受A的大小影响，当A=91.5°时，谐振频率恰好在中心频率2.45 GHz处。如图8所示，微调扼流套长度L1的长度，可以看到，L1的大小影响中继装置的谐振强度，当L1=30 mm时，谐振强度最强。微调优化后，最终关键结构参数如下：r1=31 mm，L1=30 mm，A=91.5°。

图7 中继装置谐振频率与弧度A的关系

图8 中继装置谐振频率与L1的关系

图9 中继装置S参数仿真结果图

最终S参数的仿真结果如图9所示。可以看到，在中心频率2.45 GHz处，此时损耗仅有-0.49 dB，发射和接收两端口之间可以实现良好传输。

3 结束语

本文设计了一种适用于非接触条件下的微波无源中继装置，主要针对于智能水表的通信应用，由于其较好的可移植性，也可将其拓展到其他应用场景下。该装置工作于近场环境下，基于耦合谐振原理工作。通过仿真软件建模及分析，验证了该装置的实用性。与其它的一些非接触中继方式相比，该装置能在保证高效传输的基础上，做到结构简单，易于加工，成本低廉，该设计具有一定的商用价值。