[发明专利]一种现代反向散射通信系统硬件的优化方法

说明书

一种现代反向散射通信系统硬件的优化方法，轻量化的板载天线设计使节点摆脱了外部天线的限制，无需电池进行通信。优化后的匹配网络使信号损耗小，传输距离长；将高频部分与数字部分分离。在天线设计中，通过对不同参数的天线进行比较，选择最优天线。在匹配网络的优化中,我们把实验数据进行模拟优化,然后把仿真数据放入真实实验中测试,逐步消除仿真和实验之间的误差,以获得最优的匹配网络连接高频电路和数字电路，使得通信系统不需要被电源所限制。实验结果表明，电磁波信号获取的能量足以支持节点连续接收和发送信号，传输距离可达5m左右，且节点的电力消耗只有3‑15微瓦。

技术领域

本发明涉及了现代反向散射通信系统硬件设计的测试和优化，属于反向散射通信领域。

背景技术

在各类物联网应用场景中，电源问题往往成为发展瓶颈。后向散射使通信不需要任何电源，反向散射通信技术，指的是利用射频信号的反向散射信号进行通信，由于去除了无线电收发器，使得能量需求大大减少，它充分利用了环境中的射频信号，以之为载体进行信息传输。与有源的无线电收发设备相比，反向散射通信使能量消耗从瓦级降至微瓦级。射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术即基于这一原理，作为一种低成本的无源通信技术，其在零售行业得到了广泛发展，已经成为标准化技术，用于物流业或是仓库管理中的物件识别或定位。在反向散射通信系统中，包括了一个由可编程嵌入式硬件控制的标签 (Tag)以及信号调制电路，该电路通过改变天线阻抗来控制是否反射入射信号。在RFID技术中，该入射信号由一个特定的读写器(Reader)产生，读写器还需要解码反向散射信号并从Tag中获取信息，这使得读写器的造价非常昂贵，这也成为了RFID系统的一个缺陷。除了利用读写器，最新研究证明，环境中存在的无线信号，例如FM信号、TV信号、蜂窝网络信号以及WIFI信号，都可以作为反向散射系统的入射信号。同时，由于Tag每次只传输少量信息，其需要做的工作只是调节天线阻抗，因此，Tag对能量的需求非常小，通过合理的设计，这些能量可以从环境中的射频信号或是光信号中获得。低功耗的Tag使得大规模物联网的部署成为可能，如果我们需要环境中不同节点的信息，只需要一个激励源，一个接收端，以及大量分布在各个节点的低功耗Tag，就可以实现大规模低功耗的通信网络。

信号反射，是信号传输过程中一个普遍存在的现象，在传输线的信号传输理论中，信号传输的过程中，通常都会伴随着一个瞬时阻抗，当此瞬时阻抗发生变化时，信号就会发生反射，特别是当信号的频率较高时，反射信号的强度就会比较高，由于反向散射信号的频率与入射信号的频率相同，但前者的信号强度却远远不及后者，强烈的自干扰导致在接收端根本无法检测出反向散射信号，因此，必须要将反向散射信号的频率进行搬移，使其频段远离入射信号的频率，以便接收端在频域上能够解调出反向散射信号。考虑单一频率信号，假设入射信号为Tag电路上为频率为Δ_f的脉冲信号，做傅里叶变换后可以写为完成了信号偏移。

发明内容

本发明的目的是提出一种现代反向散射通信系统硬件设计的优化，这种优化主要在于天线的优化，匹配网络的优化和获能及升压电路的优化。在现有反射通信系统设计的基础上，对机载高频天线进行了设计和优化，以降低信号传输损耗；实现匹配网络优化，以满足天线阻抗和负载阻抗在大误差条件下完美匹配的需求，提高接收信号信噪比，增长通信距离；获能及升压电路的优化可以使得系统工作更加稳定。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种现代反向散射通信系统硬件的优化方法，所述该方法包括以下步骤：