论文来源：https://ieeexplore.ieee.org/document/9379395

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摘要

文章针对传统设备识别在电力物联网场景中存在的可靠性低和读取距离不足的问题，设计了一种新型的双天线结构系统。

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一、背景

在实际应用中发现，其可靠性较低，标签在强电磁环境下容易突然损坏，数据丢失。同时，它被周围电磁环境被动感应，标签频繁误激活，缩短了使用寿命。此外，还有能耗和路径损耗问题。射频标签以球面波的形式反射周围的能量，减少了固定读写器接收到的能量，限制了通信距离。标签的短通信距离也是一个大问题。5G信号的波长较短，更接近光的直线传播，且更容易被障碍物阻挡。传统标签没有射频反射器的功能，无法通过反射绕过障碍物。

如果标签天线是全向天线，它确实可以从各个方向接收环境中的射频信号。然而，由于天线的互易性，信号被均匀地反射到周围，这可能导致读写过程中相互干扰，造成读取失败或读取时间过长。如果标签天线是定向天线，则很难从环境中接收到足够的信号以进行转发和自供电。因此，传统标签天线不能直接应用于环境回散射，标签结构必须进行更改以满足通信系统的要求。

二、系统模型

由于安全工作距离或地形的限制，传统RFID技术的读取距离过短。外部数据采集基站属于全向传输和全向接收。因此，在电力物联网系统中布置中继天线时，接收天线需要尽可能全向覆盖，以收集环境中的信号，而数据采集基站位于固定位置，因此其传输方向不需要全向，只需朝向基站方向即可。

三、天线设计

A. 指标

选择在厚度为1.6mm、相对介电常数为4.4的FR4板上印刷天线。通过50Ω微带线馈电，工作频率为2~4GHz。天线的设计规格见图1。

图1 天线的设计规格.

B. 天线结构描述

标签天线的结构如图2所示，放置在XOY平面上。系统由三部分组成：四元素贴片天线阵列、馈电网络和一个平面编号天线。贴片天线位于顶层；馈电网络由功率合成器及其对应基板组成，位于底层，与贴片天线阵列共用同一接地平面；贴片天线的同轴探针通过两层基板和一个接地平面连接到功率合成器的四个输入端口.

图2 标签天线的结构.

从天线的互易性可以看出，当从+z方向入射波照射到四元素贴片天线阵列时，接收到的电磁波通过馈电网络传输到平面对数周期天线进行再辐射，具有极化转换特性，从而改变入射波传播方向，实现半全向接收和定向传输。

C. 天线结构优化

在当前设计结构中，选择四元微带贴片天线作为接收天线。从贴片天线的特性来看，它不是全向天线，带宽相对较窄。因此，改进了接收天线的结构，使其成为全向宽带天线。在天线设计过程中，通过改变切割三角形的位置和尺寸、地板上矩形槽的尺寸以及地板的长度，提高了天线带宽和性能的匹配。为了防止天线性能偏差过大，在调整过程中应将参数浮动的上下限控制在较小范围内。其结构如图3所示。

图3 优化后的四元微带天线.

对于发射天线，对数周期天线是一种定向端火天线，具有宽频带。然而，为了尽可能覆盖环境中的点视信号、Wi-Fi、4G和5G信号，需要进一步扩展天线带宽，因此对数周期天线也进行了改进。在传统平面Yagi天线的设计中，通常需要巴伦结构，以使阵列的两个臂的电流具有相同的幅度和方向，从而实现电磁场的定向传播。然而，巴伦结构复杂且需要较长的传输线。为了简化这一结构，设计了一种新的馈电形式，主动振子臂印刷在介质板的前面，馈电器连接，另一个臂印刷在背面，这减少了两个臂对阵列的耦合效应。经过截断后，它连接到接地平面，并利用地板的电流特性使两个振子臂具有反向电流。同时，为了提高Yagi天线的增益和辐射方向性，在天线的背面相同位置增加了一组导向元件。其结构如图4所示。

图4 优化后的发射天线.

D. 天线结构确定

最终方案采用了宽带微带天线阵列和对数周期偶极天线，如图5。它们都属于宽带天线，并且能够满足5G信号的要求。微带天线阵列负责接收环境中的信号，并通过对数周期天线进行转发。该结构具有较少的旁瓣。此外，采用多目标遗传算法优化天线的旁瓣和尺寸。

图5 最终方案.

四、仿真结果

优化前后模式的比较。天线增益从5.71 dB优化至7 dB。优化前，存在一个大旁瓣，最大旁瓣水平为-4 dB。优化后，最大旁瓣减少至-5.76 dB，有效提高了天线的方向性。

优化后的10dB阻抗带宽为2.5 GHz，频段内的平均VSWR为1.3，达到了预期目标。

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总结

环境回散射技术由于突破了物联网通信中读写器能量覆盖的限制，逐渐被推广和应用。本文的重点是解决电力物联网应用场景中信号覆盖不完整的问题。从物理层的角度出发，设计了一种具有双天线结构的标签天线，兼顾自身的能量供应和信号转发功能。通过减少旁瓣的数量和水平，提高了窃听通道与主通道之间的质量差异，以确保通信安全。该天线满足高增益和窄波束的要求，能够实现电力物联网场景中信号的全面覆盖。