[发明专利]无线传感网络通信距离扩展器及扩展方法

说明书

一、技术领域：

本发明涉及无线传感网络通信距离扩展器的设计和方法，具体涉及控制信号提取 技术和类光学增透膜原理的接收通道设计以及相关的体系结构。

二、背景技术：

无线传感网络节点通常具有相邻节点之间通信距离小的特点，典型商业节点之间 的极限通信距离仅有两三百米左右。在需要较长通信距离的场合下，可以在现有网络 基础上使用数据中转的方法。但是这种方法会导致有效数据带宽下降，同时由于网络 中存在着相当数量的中继节点，会使得系统的安装和维护成本升高。而使用通信距离 扩展器，则可以在不降低有效数据带宽的前提下，提升无线传感网络节点的通信距离。

而现有的常规无线通信距离扩展器技术方案存在着一定的局限性，实用中往往达 不到预期的距离扩展效果。

在常规的无线通信距离扩展器或射频信号增强器中，在接收通道上均会使用低噪 声放大器。这种方案虽然能够在一定程度上增强接收信号电平，但却大大压低了接收 通道的动态范围上限。而在实际的无线传感网络中，信号接收电平往往随着节点环境 和间隔距离的变动发生很大波动，常常超出接收通道的动态范围上限，导致通信错误。 另一方面，实际环境中较强的带外干扰辐射也往往会导致低噪声放大器的失真。但是， 如果不使用低噪声放大器，则要面临较大的插入损耗问题。另外，在常规的射频信号 增强器方案中，通过对射频发射信号进行包络检波的方式来获得收发切换信号。这种 方案的可靠性依赖于发射信号功率的强度和调制波形包络，如果发射信号功率较弱， 会导致收发切换不能严格同步，进而导致通信错误。由于以上两个主要原因，在实践 中使用常规的射频信号增强器方案往往达不到预期的距离提升效果。

三、发明内容：

本发明的目的在于提出一种无线传感网络通信距离扩展器及扩展方法，为采用 TDD(Time Division Duplex，时分双工)方式的智能无线传感网络提供一种安装便捷、 不影响原有网络性能，并且使用灵活的通信距离扩展器及相关方法。

本发明的目的是这样实现的：无线传感网络通信距离扩展器，通信距离扩展器串 接在无线传感网络(传感器)节点的天线端口和外接天线之间，它由一组配对的半导 体高频切换开关模组、开关切换控制信号提取模块、射频发射通道和基于类光学增透 膜原理的射频接收通道组成。所述配对的半导体高频开关模组包括进行发射通道和接 收通道的开关切换的半导体开关和控制半导体开关的电路，并保证低插入损耗和发射 通道和接收通道的高隔离度；开关切换的控制信号提取模块和传感器节点模块的天线 端口相连接，用于跟踪收发时隙，提取接收或发射通道开关切换控制信号；射频发射 通道设有功率放大模块，构成发射通道的功率增强部分，用于增强无线传感网络节点 的发射信号；射频接收通道上设有二分之一波长的微带传输线结构。利用电磁波在传 播媒质交界处的干涉作用，削弱反射电磁波能量，增强入射电磁波能量，从而最大限 度地降低插入损耗；采用的是一种类光学增透膜原理的射频信号输入增强结构。

本发明根据无线传感器网络节点天线端口的发射信号，按照射频信道的发射和接 收时隙要求，完成发射通道和接收通道的分时切换。在应用中，将本发明装置串接在 无线传感器网络节点天线端口和外接天线之间，即可实现增强发射功率和降低接收通 道插入损耗的效果，从而达到扩展通信距离的目的。

无线传感网络通信距离扩展方法，射频接收通道上设有二分之一波长的微带传输 线结构；在接收射频信号时，利用电磁波在传播媒质交界处的干涉作用，削弱反射电 磁波能量，增强入射电磁波能量，从而最大限度地降低插入损耗；

采用发射通道功率增强，同时取消接收通道低噪声放大器；有利于提升发射信号 功率，并且不降低原来系统接收通道动态范围的上限；

本发明改进还包括，在收发时隙控制信号提取电路中，采用了四分之一波长传输 线隔离方法，通过对发射控制信号的提取，获得接收与发射的时隙信号，并控制切换 开关完成发射通道和接收通道之间的切换。

本发明的有益效果是：大大扩展了无线传感网络通信距离，且不改变原有系统的 工作方式，易于安装和维护；在有效扩展无线网络节点的通信距离时不影响通信数据 带宽；在接收状态下，扩展器发射通道放大器处于关闭状态，因而功耗极低；采用了 传输线结构，和采用滤波器结构搭配低噪声放大器的常规方案相比，本发明的电路简 洁可靠，信号的附加传输损耗小。可以有效降低电路工艺要求和制造成本。