反向功率传输期间双向全桥LLC变换器直流偏置估计与抑制的一种置信度调度混合方法

《Electronics》：A Confidence-Scheduled Hybrid Method for DC-Bias Estimation and Suppression in Bidirectional Full-Bridge LLC Converters During Reverse Power Transfer Lulu Gao, Baoquan Liu, Zhilong Wu, Jing Niu, Keren Li, Lei Gong and Jingwen Chen

　　

本文提出了一种2×1微带阵列共形天线的实验表征，该天线采用3D打印技术制造，适用于2.4 GHz WiFi反向散射（backscatter）室内物联网（Internet of Things, IoT）场景。研究人员从平面构型出发，实现了30°、60°和90°三种共形状态以系统评估弯曲效应的影响。通过详细的仿真与测量，研究人员获得了增益、效率和辐射方向图等结果，测得增益从平面状态下的9.4 dBi降至90°弯曲时的6.2 dBi。为评估这些实测增益变化对系统级性能的影响，研究人员将实测功率水平纳入基于时分多址（Time Division Multiple Access, TDMA）的WiFi反向散射链路模型中，并在直视（Line-of-Sight, LoS）、非直视（Non-Line-of-Sight, NLoS）以及残余干扰等实际室内条件下评估了可达比特传输速率。本研究的主要贡献在于将全3D打印射频级共形天线的实验验证与系统级WiFi反向散射评估相结合。分析-实验联合结果表明，在测试的2.4 GHz室内WiFi反向散射条件下，曲率增大会降低可达最大比特传输速率，并在更严格的服务质量（Quality of Service, QoS）阈值下导致更早出现不可行性，这表明共形几何构型是所研究系统设计中的重要考量因素。

**研究背景与问题**

无线通信系统构成了现代物联网网络的骨干，天线作为电子电路与传播环境之间的主要接口发挥着基础性作用。新兴物联网通信系统的严格要求推动了紧凑型、高效率且针对特定应用的无线平台天线设计的持续进步。物联网设备的快速普及显著增加了对低功耗、低成本且易于部署的无线通信解决方案的需求，尤其在多径传播和阴影效应显著的室内环境中。在此背景下，反向散射通信因其通过控制反射现有射频信号而无需专用电源或电池的特性，成为一种极具能效的技术。然而，为增强室内反向散射链路的可靠性，开发能够在安装于倾斜或曲面时保持辐射特性的紧凑型高增益天线至关重要。

超越传统反向散射，共生无线电（symbiotic radio）近期受到关注，该范式中无源反向散射设备与发射机"共存"并复用同一载波，在频谱/能量效率方面提供互惠效益。在此类共生配置中，接收机直接观测主源信号和具备反向散射能力的用户信号，系统性能不仅取决于天线增益与几何构型，还取决于这些终端间交互的规划与分离方式（如通过时分处理和干扰管理）。因此，对室内WiFi反向散射系统的完整评估需同时考虑：（i）真实弯曲角度下的共形天线特性，以及（ii）协议/优化框架下的链路级比特传输速率。

现有研究主要集中于电磁性能指标如阻抗匹配、增益、效率和辐射方向图，但普遍未能量化共形几何如何影响环境反向散射链路的端到端比特传输速率，特别是在时间分配和残余干扰等协议级约束条件下。天线变形与通信层限制因素的联合影响在当前文献中仍研究不足，这凸显了需要开展将共形天线行为与系统级WiFi反向散射性能在实际室内传播条件下进行联合评估的研究。

**研究内容、结论与意义**

本研究旨在填补射频级3D打印材料在共形反向散射天线应用中研究有限的空白。研究人员提出了一种基于PREPERM ABS300的2×1微带阵列天线，工作于2.4 GHz频段，完全采用3D打印技术制造。该材料具有低介电损耗、机械柔性与增材制造兼容性等优势。研究系统考察了天线在平面状态至30°、60°和90°弯曲角度下的共形特性，通过仿真与实验测量进行了全面表征。此外，研究人员将实测天线增益数据纳入已有的TDMA共生WiFi反向散射协议与优化框架中，评估了在LoS/NLoS、QoS阈值及残余干扰等实际室内条件下的可达比特传输速率。

研究结果表明，随着弯曲角度增大，天线增益从9.4 dBi逐步降至6.2 dBi，辐射效率和方向性也相应劣化；在系统级层面，比特传输速率随曲率增加而降低，且在严格QoS阈值下更早出现不可行性。该研究发表在《Electronics》期刊上，为物联网反向散射设计中的共形几何选择提供了重要依据，并展示了将电磁实验与协议级性能评估相结合的研究范式。

**关键技术方法**

研究人员采用PREPERM ABS300介电材料作为基底，通过熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）型3D打印技术制造2×1微带阵列天线。天线设计包含半圆形贴片修改（半径R）作为谐振调谐机制，以及特殊的共形兼容几何结构。馈电网络采用微带传输线结构，通过SMA连接器实现匹配，利用四分之一波导波长阻抗变换段实现功率分配与阻抗匹配。天线单元中心间距为80 mm（约0.64λ₀，λ₀为自由空间波长），以在阵列紧凑性与互耦抑制之间取得平衡。

实验测量在准暗室环境中进行，采用Agilent Technologies PNA-L矢量网络分析仪（N5134A）和标准增益喇叭天线作为参考，通过自由空间替代法提取天线增益。反射系数测量采用ARINST SSA TG R2频谱分析仪配合射频电桥完成。室内反向散射实验使用商用2.4 GHz WiFi路由器作为环境射频照射源，对数周期偶极子天线（Log-Periodic Dipole Array, LPDA）作为接收天线，在固定节点布局下依次更换四种弯曲状态的天线进行测量。

在通信层面，研究人员采用了文献中已有的TDMA共生WiFi反向散射协议和优化框架，将实测天线相关功率乘积映射至链路级速率表达式。考虑两种场景：S1为WiFi设备与共形阵列的共生操作，S2为考虑残余干扰的非理想连续干扰消除（Successive Interference Cancellation, SIC）情况。通过替换实验获得的功率值，评估了不同弯曲角度和距离配置下的比特传输速率，并比较了LoS与NLoS条件下的性能差异。

**研究结果**

**共形阵列天线设计与实验设置**

天线设计针对2.4 GHz ISM频段，基底材料PREPERM ABS300的相对介电常数ε_r = 2.4，损耗角正切tanδ = 0.003。通过调整75%的填充率实现目标介电常数。仿真和实测的反射系数（S₁₁）结果表明，所有弯曲状态下天线在目标频段内均低于-10 dB阈值，半圆形R参数有效补偿了弯曲引起的频率偏移。增益方面，平面状态约9.5-9.7 dBi（实测9-9.4 dBi），30°和60°弯曲时为8-8.7 dBi（实测8-8.4 dBi和7-8 dBi），90°弯曲时降至6.5-6.7 dBi（实测6-6.5 dBi）。辐射效率从平面的94-95%降至90°弯曲时的约75-76%。辐射方向图显示，弯曲增大会导致主瓣展宽、对称性退化，90°时尤为显著。

**共形阵列辅助WiFi反向散射的通信设置**

系统模型包含WiFi发射机（节点t）、共形反向散射阵列（A_bs）和LPDA接收机（A_r）。采用归一化两相TDMA帧结构，相位持续时间分别为τ和1-τ。S1场景中，有效反向散射功率由反向散射反射系数Γ和频谱分析仪产生的信号功率P_in表征；S2场景通过残余SIC因子x建模非理想解码。信道增益采用自由空间参考模型进行归一化，实际数值由实验测量值替代。

**LoS/NLoS条件下的分析-实验比特速率评估**

实验在住宅环境中进行，WiFi路由器天线增益2 dBi，LPDA增益5 dBi，反向散射天线与LPDA间距固定为60 cm。测量了四种距离配置（d_t,bs = d_bs,r = d_t,r/2 = 0.6, 1.0, 1.5, 2.0 m）下LoS（无遮挡）和NLoS（有墙体障碍）条件的接收功率。

结果显示，所有场景下比特传输速率随距离增加单调递减，NLoS条件下的速率低于LoS。S1场景速率高于S2，与残余干扰降低有效信干噪比的建模一致。分析曲线与实验曲线趋势一致，验证了模型的适用性。0°-30°结果普遍高于60°-90°，90°时最低，表明连接预算随弯曲角度增加而减弱。S2场景中，由于弯曲降低有效反向散射电平的同时减少了残余干扰，速率趋势对弯曲角度变化相对不敏感。QoS阈值分析表明，严格阈值下大弯曲角度更早失去可行性，S2中主导约束为R_th,2。

**讨论与结论**

研究人员在讨论中指出，本研究区别于早期仅考虑单平面微带天线的工作，首次系统研究了2×1共形阵列在多种离散弯曲状态下的性能，并引入了协议级评估框架。PREPERM ABS300材料在共形应用中展现出良好的尺寸稳定性与可重复性，相较于柔性基材如Kapton或PET具有更好的厚度控制优势，相较于PDMS等过软材料则具有更好的结构稳定性。

研究结论表明：所提出的全3D打印PREPERM ABS300基2×1微带阵列天线在2.4 GHz WiFi反向散射应用中具有实践可行性；PREPERM ABS300材料在平面/30°/60°/90°弯曲状态下的共形特性得到实验验证；仿真与测量表征数据为2.4 GHz WiFi反向散射天线提供了额外实验参考；基于TDMA共生机制的评估表明，在LoS/NLoS、QoS阈值和残余干扰等实际条件下，弯曲角度依赖的增益变化显著影响可达比特传输速率。未来工作可扩展至更大阵列结构、多频段/可重构设计、更广泛的室内场景计量框架，以及多标签/用户环境下的天线-协议联合优化。此外，需进一步研究该天线在非均匀几何（如复合曲面或球面）上的适用性，以及超出本工作考虑范围的其他固定共形配置。