5.8 GHz具有諧波抑制功能的天線設計*

崔 鵬，陳凱亞，廖 成

0 引 言

隨著科技的迅猛發(fā)展，無線網(wǎng)絡電子產(chǎn)品的小型化已然成為一種發(fā)展趨勢，而傳統(tǒng)電池的尺寸和容量越發(fā)難以滿足電子產(chǎn)品的使用需要，有線充能的方式局限性太強。因此，小型化電子產(chǎn)品的無線輸能成為的研究熱點之一。接收整流天線作為微波無線輸能系統(tǒng)中最關鍵的部件之一，主要由接收天線和整流電路兩部分組成，作用是將接收到的微波能量轉換為輸出直流能量，供用戶使用，結構如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)整流天線結構

圖1 中，低通濾波器主要有3個作用：一是保證基頻順利通過，而其他頻率分量不通過；二是阻止整流二極管產(chǎn)生高次諧波；三是滿足濾波器與接收天線之間的良好匹配。然而，濾波器和接收天線間的損耗不可避免，且微帶濾波器必然會增加前端電路的尺寸和設計的復雜性，所以研究者們開始致力于研究結構簡潔緊湊且具有諧波抑制功能的天線，從而降低輸出損耗、設計成本和設計復雜度[1-3]?，F(xiàn)在諧波抑制微帶天線的設計方法大多使用PBG結構和DGS結構實現(xiàn)[4]，文獻[5]通過在圓形縫隙天線中心挖圓形孔的方法抑制高次諧波，文獻[6]通過在微帶饋線45°和135°處開V型鋸齒的方法有效抑制二次和三次諧波，成功縮小了天線尺寸，文獻[7]則設計了2個SIR結構分別抑制2.45 GHz的二次和三次諧波，縮小了天線尺寸。圖2為具有諧波抑制天線的整流天線結構。

圖2 具有諧波抑制天線的整流天線結構

該結構要求諧波抑制天線同時具備接收天線和濾波器的功能，即天線在諧波頻率位置的回波損耗大于等于-3 dB。同時，考慮到整體系統(tǒng)的效率提升，該天線應具有窄帶寬特性，以防止其他頻率分量被天線接收，導致天線因失配產(chǎn)生損耗而降低總體效率。同時，鑒于5.8 GHz相較2.45 GHz的特點，使其在能達到傳輸效率的同時具有尺寸小、成本低、易于搭載設備的特點，本次設計基于上述要求，結合SIR結構，設計了一款5.8 GHz的接收天線。該天線通過引入SIR結構，能夠實現(xiàn)在二次諧波位置回波損耗大于-3 dB，且?guī)拑H有120 MHz。

1 SIR基本結構

SIR（階梯型阻抗諧振器）是利用不同特性阻抗的傳輸線實現(xiàn)諧振的一種結構。寄生通帶作為微波濾波器特有的一種指標，其結果是在設計通帶以外的某些頻率，通常是通帶中心頻率的整數(shù)倍處產(chǎn)生通帶。在濾波器設計中，使用非均勻線諧振器即SIR結構作為濾波器，可以有效解決這些問題。

SIR是由兩個以上具有不同特性阻抗的傳輸線組合而成的橫向電磁場或準橫向電磁場模式的諧振器。圖3給出了采用帶狀線結構的準橫向電磁場諧振器的典型例子。圖3（a）采用的是終端短路結構；圖3（b）采用的是開放端點結構。

圖3 典型SIR結構

假設傳輸線開路端和短路端之間的阻抗特性分別為z1、z2，等效電長度為θ1、θ2，則定義阻抗比為：

可以通過改變阻抗比來改變寄生頻率，從而使基波的倍頻處不發(fā)生諧振。因此，SIR結構在天線上的應用已經(jīng)開始受到重視[8]。本次設計是基于SIR結構在濾波器中針對寄生通帶問題的良好表現(xiàn)，將阻抗匹配、饋線和天線貼片整體設計，以達到抑制二次諧波的效果。

2 天線設計及仿真結果

2.1 天線設計及優(yōu)化

天線貼片設計在20 mm×26 mm×1.1 mm的矩形介質基板上，基板材料Taconic TLX-8，介電常數(shù)2.55，損耗角正切為0.001 9，貼片選擇0.035 mm的銅片。天線正面結構如圖4所示，背面采用全覆蓋的銅板作為接地板。

圖4 天線正面結構

圖4中天線為本次設計的具有諧波抑制功能的微帶天線。此結構相當于一個50 Ω的匹配微帶線接上一個SIR結構。連接天線的饋線寬度為1 mm，與天線構成一個SIR結構，構成一個濾波器。天線的長度決定了其中心頻率為5.8 GHz。

本次設計中，天線的饋線嵌入深度p和天線饋電處開槽寬度d是影響天線在諧振點性能的主要因素。因此，對嵌入深度和開槽寬度對天線性能的影響進行了深入探究。圖5給出了嵌入深度為3 mm、4 mm、5 mm時天線的S11參數(shù)圖。

圖5 嵌入深度p對天線S11的影響

從圖5可以得出，饋入深度對天線諧振點位置的影響微小，但對天線在諧振點的匹配效果影響極大。經(jīng)反復優(yōu)化，最終確定當嵌入深度為4 mm即p=4時，天線在5.8 GHz處S11可達約-32.36 dB，且能夠抑制在后續(xù)10～11 GHz頻段處曲線的下降程度。

圖6給出了開槽寬度為3 mm、4 mm、5 mm時天線的S11參數(shù)圖。

圖6 開槽寬度對天線的影響

由圖6中的曲線對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著開槽寬度d的增加，天線的諧振點位置受影響同p一樣微小，而對于諧振點處的S11影響同樣明顯。經(jīng)優(yōu)化調試，確定在開槽寬度d為4 mm時，綜合天線在5.8 GHz的S11參數(shù)和在后續(xù)頻段曲線變化，天線有最佳的表現(xiàn)。

圖5采用微帶形式饋電，經(jīng)過優(yōu)化，矩形貼片邊長16 mm，貼片寬度15.38 mm，饋線嵌入深度為4 mm，饋線寬1 mm，50Ω匹配微帶線寬3.12 mm，長5.6 mm。相較于此基板下的普通5.8 GHz矩形貼片天線，其尺寸更小，性能更好。

表1 天線最終優(yōu)化尺寸參數(shù)

2.2 天線的仿真結果

天線優(yōu)化后的最終S11參數(shù)如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的具有諧波抑制的天線S11參數(shù)

圖7 給出了同材料設計的5.8 GHz矩形貼片天線和本次設計天線的對比?？梢钥闯觯搸в蠸IR結構的天線確實可以抑制二次諧波，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)接收天線和低通濾波器的性能合并。天線第一諧振點約為5.8 GHz，帶寬為120 MHz，天線在諧振點處S11為-32.36 dB，說明此天線結構已經(jīng)達到了很好的匹配。相較傳統(tǒng)天線，該天線在6～10 GHz頻段內，天線的S11曲線改善明顯，且在第一寄生諧振點位置11.6 GHz附近，其S11僅為-2.5 dB，成功抑制了二次諧波。圖8為天線在5.8 GHz處的XOZ、YOZ、3D方向圖。

從圖8（c）中可以看出，該接收天線的方向性系數(shù)為6.655 dBi?？梢?，天線的輻射性能和普通天線基本相同，在S參數(shù)上有效抑制了二次諧波，實現(xiàn)了低通濾波器和接收天線的性能合并。

圖8 5.8 GHz處天線的方向圖

3 結 語

在2.45 GHz的諧波抑制天線基礎上，對SIR結構進行探究，并成功應用于5.8 GHz，設計出了具有諧波抑制功能的矩形貼片天線。該天線在5.8 GHz諧振處S11為-32.36 dB，帶寬僅為120 MHz，輻射效能和普通天線沒有差別，但在二次諧波處S11僅為-2.5 dB，有效抑制了整流電路中由整流電路產(chǎn)生的二次諧波，很好地實現(xiàn)了5.8 GHz下傳統(tǒng)整流系統(tǒng)中接收天線和低通濾波器部分性能的合并，從消除天線到濾波器、濾波器自身的損耗和提升天線自身效率兩部分出發(fā)，提高了整流效率。此外，該設計減小了天線的尺寸，進一步減小了整流系統(tǒng)的尺寸，為后續(xù)小型高效率的整流系統(tǒng)和陣列設計提供了新思路。

[1] Radisic V,Qian Y,Itoh T.Broadband Power Amplifier Integrated with Slot Antenna and Novel Harmonic Tuning Structure[C].Microwave Symposium Digest,1998 IEEE MTT-S International,1998:1895-1898.

[2] Deal W R,Radisic V,Qian Y,et al.A High Efficiency Slot Antenna Push-pull Power Amplifier[C].Microwave Symposium Digest,1999 IEEE MTT-S International,1999:659-662.

[3] Radisic V,Qian Y,Itoh T.Novel Architectures for Highefficiency Amplifiers for Wireless Applications[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniqu es,1998,46(11):1901-1909.

[4] Horii Y,Tsutsumi M.Harmonic Control by Photonic Bandgap on Microstrip Patch Antenna[J].IEEE Microwave & Guided Wave Letters,1999,9(01):13-15.

[5] 蔣永祥,鄒傳云.具有諧波抑制功能的圓極化整流天線設計[J].通信技術,2015,48(09):1092-1095.JIANG Yong-xiang,ZOU Chuan-yun.Circular Polarization Rcctifying Antenna with Harmonic Suppression[J].Communications Technology,2015,48(09):1092-1095.

[6] 漆世鍇.微波輸能系統(tǒng)中的整流天線設計與實現(xiàn)[D].新鄉(xiāng):河南師范大學,2013.QI Shi-kai.The Design and Realization of the Rectifier Antenna in Microwave Transmission System[D].Xinxiang:Henan Normal University,2013.

[7] Xiao S,Shao Z,Zhang Y,et al.Microstrip Antenna with Compact Coplanar Harmonic Suppression Structure[C].Antennas and Propagation Society International Symposium IEEE,2006:643-646.

[8] Guo J,Zhu X.An Improved Analytical Model for RF-DC Conversion Efficiency in Microwave Rectifiers[J].IEEE MTT-S International Microwave Symposium digest,IEEE MTT-S International Microwave Symposium,2012:1-3.