57、紧凑型双频天线与能量收集中继辅助认知无线电网络技术解析

紧凑型双频天线与能量收集中继辅助认知无线电网络技术解析

紧凑型双频微带贴片天线设计

在无线通信领域，随着物联网（IoT）的发展以及车辆通信需求的增加，对天线的要求也越来越高。现代通信系统需要天线具备紧凑、多频段操作等特性，以适应不同的应用场景。微带天线因其轻质、易于集成、低成本和低剖面等优点，被广泛应用于需要紧凑和多频段操作的系统中。

天线小型化技术

研究人员提出了多种实现微带天线紧凑化的方法，包括：
- 切割贴片槽 ：在贴片上切割规则的矩形槽，改变表面电流分布，延长电流路径，降低谐振频率。
- 使用短路针 ：通过短路针改变电流分布，实现小型化。
- 蚀刻接地平面 ：用规则和不规则形状蚀刻接地平面，影响天线的等效电感和电容，从而改变谐振频率。

例如，在贴片上切割缺口和短路壁可以产生较低的谐振频率以及第一个较高的谐振频率，实现双频段操作。C形环结构在半波长槽内显著降低了谐振频率，与传统贴片相比，尺寸减小了近50%。

本文提出的天线设计

本文提出了一种带有曲折开槽贴片和U形开槽缺陷接地平面的紧凑型双频矩形微带印刷贴片天线。
- 参考天线 ：选取尺寸为18 mm × 14 mm的矩形微带贴片作为参考天线，相对介电常数εr为3，基板厚度为1.524 mm，谐振频率为5.8 GHz。假设接地平面为无限大，尺寸为参考贴片的三倍。
- 双频段实现 ：在金属辐射元件上蚀刻曲折矩形槽，改变表面电流路径，产生较低频率。同时，在接地平面上放置U形槽，显著降低第一个谐振频率。

设计类型	谐振频率 (GHz)	S11 (dB)	带宽 (MHz, %)
参考天线（模拟）	5.6	-24	200, 3.57
参考天线（测量）	5.5	-25	200, 3.63
带槽贴片天线（模拟）	2.25、6.74	-17	40, 1.75；90, 1.26
带槽贴片天线（测量）	2.2、6.4	-20、-17	70, 3.18；90, 1.4
带槽贴片和带槽接地天线（模拟）	1.7、6	-17、-19	80, 4.7；90, 1.5
带槽贴片和带槽接地天线（测量）	1.6、6.1	-14、-15	70, 4.37；80, 1.3

天线性能测试

所有天线结构均在HFSS软件中进行设计和模拟，制作的原型天线使用Anritsu VNA进行分析，并在消声室内测量辐射特性。测量结果表明，参考天线的谐振频率为5.5 GHz，带槽贴片天线的测量频率为2.2 GHz和6.4 GHz，而提出的带槽贴片和带槽接地平面的天线结构的测量谐振频率为1.6 GHz和6.1 GHz。对于1.6 GHz和6.1 GHz，建议天线的增益均为3 dBi。与标准的1.6 GHz谐振天线相比，提出的天线尺寸缩小了近93%。

graph TD;
    A[参考天线] --> B[蚀刻曲折矩形槽];
    B --> C[带槽贴片天线];
    C --> D[添加U形接地槽];
    D --> E[带槽贴片和带槽接地天线];

能量收集中继辅助认知无线电网络性能分析

在无线射频（RF）网络中，高效的频谱利用和能量收集是重要的研究方向。认知无线电技术可以解决频谱利用率低下的问题，而能量收集则为无线系统提供了可持续的电源解决方案。

研究背景

• 频谱短缺 ：随着无线设备和应用的增加，电磁频谱资源变得拥挤，大部分频谱未得到充分利用。
• 认知无线电 ：通过动态分配频谱，允许未授权用户在控制对授权用户干扰的前提下使用主频谱。
• 能量收集 ：从射频信号中收集能量为无线系统供电。

本文提出的网络模型

本文提出了一种基于自适应混合中继（AHR）的底层认知无线电（CR）网络，其中二次发射机和中继器可以从共信道干扰（CCI）和主用户射频信号中收集能量。
- AHR模式 ：AHR是放大转发（AF）和译码转发（DF）中继协议的组合，根据信道条件在两者之间切换。
- 能量收集 ：二次源（SU-Tx）和中继器（SR）配备能量收集电路和可充电电池，从主发射机信号、CCI中获取能量，用于将接收到的信号转发到目的地。

关键贡献

• 研究二次用户的 outage性能 ：在CCI环境下，研究了使用AHR中继方案的二次用户的 outage性能。
• 推导闭合表达式 ：评估了在二次发射机使用能量收集电路的底层CR网络中SU outage的闭合分析表达式，并考虑了最大允许发射功率策略。
• 比较不同中继模式 ：比较了AF、DF和AHR在outage性能方面的差异。
• 分析影响因素 ：讨论了中继数量、能量收集效率因子和解码阈值SINR对SU outage性能的影响。
• 验证分析表达式 ：使用MATLAB模拟测试平台验证了所有分析闭合表达式。

graph TD;
    A[主发射机（PU-Tx）] --> B[能量收集（SU-Tx、SR）];
    C[CCI] --> B;
    B --> D[自适应混合中继（SR）];
    D --> E[二次目的地（SU-Rx）];

综上所述，本文介绍的紧凑型双频天线和能量收集中继辅助认知无线电网络为无线通信领域提供了有效的解决方案。紧凑型双频天线满足了现代通信系统对紧凑、多频段操作的需求，而能量收集中继辅助认知无线电网络则提高了频谱利用率和能量效率。未来，这些技术有望在物联网、车辆通信等领域得到广泛应用。

紧凑型双频天线与能量收集中继辅助认知无线电网络技术解析

紧凑型双频微带贴片天线设计细节与优势

在前面我们了解了紧凑型双频微带贴片天线的基本设计和性能，下面进一步深入探讨其设计细节和优势。

贴片开槽的作用原理

贴片上的曲折矩形槽是实现双频段和小型化的关键。当在贴片上蚀刻这些槽时，表面电流分布会发生显著变化。原本在贴片上较为直接的电流路径，因为槽的存在而变得曲折，电流需要绕过槽才能到达辐射边缘。这就相当于延长了电流在贴片上的路径长度，根据天线的谐振原理，电流路径的延长会导致谐振频率降低。例如，在一些实验中，通过合理设计槽的尺寸和位置，可以使天线的谐振频率从原本较高的值降低到所需的频段。

U形接地槽的影响

U形接地槽在降低第一个谐振频率方面起到了重要作用。接地平面是信号返回的路径，U形槽的存在破坏了这个路径的连续性，产生了慢波效应。这种慢波效应使得信号在接地平面上的传播速度减慢，进而影响了整个天线的等效电感和电容，最终导致第一个谐振频率显著降低。与传统的矩形微带天线相比，由于U形接地槽的加入，天线的尺寸可以大大缩小，实现了近93%的紧凑化。

天线的应用前景

这种紧凑型双频天线具有广泛的应用前景。在物联网领域，各种智能设备需要小型化、多频段的天线来实现无线通信。例如，智能家居设备、智能穿戴设备等，都可以使用这种天线来实现与其他设备的连接。在车辆通信方面，智能驾驶技术需要车辆之间以及车辆与外部环境进行高效的通信，这种紧凑的天线可以方便地集成到车辆的通信系统中，为智能驾驶提供可靠的通信支持。

能量收集中继辅助认知无线电网络的性能评估

前面介绍了能量收集中继辅助认知无线电网络的基本模型和关键贡献，下面详细评估其性能。

不同中继模式的性能比较

中继模式	优势	劣势
放大转发（AF）	实现简单，不需要复杂的解码过程	会放大噪声，在长距离传输时性能下降
译码转发（DF）	可以有效避免噪声放大，提高传输可靠性	解码过程复杂，需要较高的计算资源
自适应混合中继（AHR）	结合了AF和DF的优点，根据信道条件灵活切换	需要更复杂的控制算法

从表中可以看出，AHR模式在性能上具有一定的优势，它可以根据实际的信道条件选择最合适的中继方式，从而在不同的场景下都能实现较好的传输性能。

影响SU outage性能的因素分析

• 中继数量 ：增加中继数量可以提高信号的传输可靠性，降低SU outage概率。因为更多的中继可以提供更多的传输路径，当某条路径出现问题时，其他路径仍然可以继续传输信号。
• 能量收集效率因子 ：能量收集效率因子越高，二次发射机和中继器能够收集到的能量就越多，从而有更多的能量用于信号传输，降低SU outage概率。
• 解码阈值SINR ：解码阈值SINR设置得越高，中继器需要更高的信干噪比才能成功解码，这会增加SU outage概率。因此，需要根据实际情况合理设置解码阈值SINR。

graph TD;
    A[中继数量] --> B[SU outage概率];
    C[能量收集效率因子] --> B;
    D[解码阈值SINR] --> B;

网络的实际应用场景

这种能量收集中继辅助认知无线电网络可以应用于许多实际场景。例如，在智能交通系统中，车辆之间的通信需要高效的频谱利用和可靠的信号传输。通过使用这种网络模型，车辆可以从周围的信号中收集能量，并利用自适应混合中继技术实现可靠的通信。在偏远地区的无线通信中，能量收集可以为通信设备提供可持续的电源，而认知无线电技术可以有效利用有限的频谱资源，实现通信覆盖。

综上所述，紧凑型双频天线和能量收集中继辅助认知无线电网络在无线通信领域具有重要的应用价值。它们分别从天线设计和网络架构的角度，为解决无线通信中的紧凑性、频谱利用率和能量效率等问题提供了有效的解决方案。未来，随着技术的不断发展，这些技术有望进一步优化和完善，为无线通信带来更多的创新和突破。