用于物聯(lián)網(wǎng)中無線能量傳輸?shù)碾娦〕叽缁莞拐魈炀€①

藺 煒，理查德·齊奧爾科夫斯基

(悉尼科技大學(xué) 全球大數(shù)據(jù)技術(shù)中心，澳大利亞新南威爾士州 2007)

0 引言

隨著無線物聯(lián)網(wǎng)(Internet-of-Things)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用以及下一代無線通信技術(shù)(5G)的快速發(fā)展，萬物互聯(lián)將成為無線物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢。在不久的將來，無線設(shè)備之間的物物聯(lián)接將成為實現(xiàn)智慧城市，智慧家庭，智能交通，數(shù)字醫(yī)療，數(shù)字農(nóng)業(yè)等等可持續(xù)發(fā)展數(shù)字化社會的基石[1]。目前，無線物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的數(shù)量正在快速增長，并且其增長的速度正在逐年加快。遠(yuǎn)場無線能量傳輸將成為未來物聯(lián)網(wǎng)中革命性的技術(shù)，取代基于傳統(tǒng)電池的現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電技術(shù)。無線能量傳輸技術(shù)的使用可以大大延長物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的壽命，避免更換電池的人工干預(yù)，尤其適用于嵌入式的物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備中。整流天線是遠(yuǎn)場無線能量傳輸中的關(guān)鍵設(shè)備，其功能是吸收電磁波并將其無線能量轉(zhuǎn)化成直流電給設(shè)備供電。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用要求整流天線具有結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)化效率高，電磁波吸收范圍廣等特點。雖然到目前為止，已有很多整流天線的設(shè)計被報道[2-8]，設(shè)計同時實現(xiàn)以上特點的整流天線具有很大挑戰(zhàn)。本文創(chuàng)新性地將電小尺寸惠更斯天線[9-12]與高效率的整流電路無縫結(jié)合，同時實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊，高效率，電磁波吸收范圍廣的電小惠更斯整流天線。非常適合用于未來無線物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中。本文內(nèi)容結(jié)構(gòu)如下：第一部分將介紹一款線極化的電小惠更斯整流天線。第二部分，在基于線極化惠更斯整流天線的基礎(chǔ)上，設(shè)計了圓極化的惠更斯整流天線，并實現(xiàn)了最大的電磁波轉(zhuǎn)化效率。第三部分，介紹了雙功能的惠更斯通信天線與整流天線，同時實現(xiàn)通信與無線能量傳輸?shù)墓δ堋Ｗ詈?，是本文的總結(jié)。

1 線極化電小尺寸惠更斯整流天線

1.1 線極化電小尺寸惠更斯天線設(shè)計

本章介紹一款線極化電小尺寸惠更斯整流天線設(shè)計。如圖1所示，該設(shè)計思路是將兩個由超材料啟發(fā)的電小輻射單元，例如埃及斧天線(EAD)與電容加載環(huán)天線(CLL)結(jié)合，實現(xiàn)定向的心形惠更斯輻射方向圖。兩個電小輻射單元單獨激勵時候均產(chǎn)生類似偶極子的全向輻射方向圖。若將二者有機結(jié)合并同時激勵，可形成一對正交放置的電磁偶極子。當(dāng)二者之間相位關(guān)系滿足同向條件時，惠更斯輻射方向圖便可以形成。

圖1 電小尺寸線極化惠更斯天線設(shè)計思路Fig.1 Design concept of the electrically small linearly polarized Huygens antenna

該天線可由標(biāo)準(zhǔn)的印制電路板工藝實現(xiàn)，這一對電磁偶極子可由三塊圓形的印制電路板構(gòu)成。在此設(shè)計中，選擇了RogersTM5880型號的高頻電路板，其介電常數(shù)是2.2，損耗角正切是0.0009。頂層跟下層的電路板厚度為0.787mm，中間的電路板厚度為0.508mm。在此設(shè)計中，埃及斧(EAD)輻射單元印制在中間的電路板上。電容耦合環(huán)輻射單元印制在上下兩層電路板上，并且由兩個金屬柱聯(lián)通。激勵短偶極子印制在下層介質(zhì)板的底部。從回波損耗曲線可以看到，該天線諧振在915MHz頻點上，增益為3.8dBi。其輻射方向圖為心形的惠更斯方向圖，具有波束寬度寬，對稱性好等特點。

1.2 緊湊高效率整流電路設(shè)計

在整流天線設(shè)計中，整流電路具有重要的作用。本章介紹一款結(jié)構(gòu)緊湊高效率的整流電路，可以與電小惠更斯天線無縫連接。此整流電路模型如圖2所示，由肖特基二極管跟若干電容，電感，電阻構(gòu)成。兩個肖特基二極管組成全波整流電路，電感L跟電容C1，C2組成輸入阻抗匹配電路，電容C3去除輸出高次交流雜波，電阻RL是負(fù)載電阻。該整流電路結(jié)構(gòu)十分緊湊，長度僅為7.3mm。通過選擇合適的匹配電感跟負(fù)載電阻的值，可以實現(xiàn)良好的阻抗匹配。

圖2 緊湊高效率整流天線設(shè)計與測試結(jié)果Fig.2 Design and measurement of the compact and highly efficient rectifier circuit

1.3 線極化電小尺寸惠更斯整流天線的系統(tǒng)設(shè)計與測試

本章將電小尺寸惠更斯天線跟高效率整流電路結(jié)合，實現(xiàn)了線極化電小尺寸惠更斯整流天線，如圖3所示。

圖3 線極化電小尺寸惠更斯整流天線的系統(tǒng)設(shè)計與測試Fig.3 Systematic design and measurement of the linearly polarized electrically small Huygens rectenna

整流電路與惠更斯天線的端口無縫結(jié)合，整體整流天線結(jié)構(gòu)十分緊湊。測試系統(tǒng)在微波暗室中搭建，包含作為電磁信號輻射源的喇叭天線，功率放大器，信號發(fā)生器，直流電源，萬用表以及若干線纜。整流天線放置于喇叭天線的遠(yuǎn)場區(qū)域，通過計算傳輸路徑的損耗，可以得到整流天線輸入端的信號強度。在測試過程中，通過調(diào)節(jié)惠更斯天線的激勵偶極子的長度，實現(xiàn)感性的輸入阻抗，從而無需電路中的有損耗的匹配電感，提高整流天線的轉(zhuǎn)化效率。

圖4是該整流天線的測試結(jié)果，顯示輸出直流電壓跟交流直流轉(zhuǎn)化效率隨接受功率的關(guān)系?？梢钥闯?，該整流天線在輸入功率達到9dBm的時候輸出轉(zhuǎn)化效率達到最大值88.9%。在有損耗的匹配電感的電路中，這個測試效率值為80.3%?？梢娫谡麟娐分须姼械膿p耗還是十分可觀。通過仿真不帶匹配電感的整流電路，可以得到同樣的結(jié)論。由于該惠更斯天線獨特的阻抗特性，在不加匹配電感的情況下可以與整流電路匹配良好，該整流天線可以達到其接近90%的最大轉(zhuǎn)化效率。

圖4 整流天線測試結(jié)果Fig.4 Measurement results of the linearly polarized electrically small Huygens rectenna

2 圓極化電小尺寸惠更斯整流天線

2.1 圓極化電小尺寸惠更斯天線設(shè)計

前一章介紹了線極化的電小尺寸的惠更斯整流天線設(shè)計，線極化系統(tǒng)要求電磁信號跟接收整流天線的極化方向保持一致。然而，在整流天線不斷移動的應(yīng)用環(huán)境中，線極化系統(tǒng)會產(chǎn)生嚴(yán)重極化失配的問題，圓極化系統(tǒng)可以很好解決極化失配的問題。本章將介紹一款圓極化的電小尺寸惠更斯整流天線。

一組正交放置的電磁偶極子可以產(chǎn)生線極化的惠更斯輻射方向圖，兩組相互正交放置的電磁偶極子通過90度相位差的激勵，便可以產(chǎn)生圓極化的惠更斯輻射方向圖。如圖5所示，十字結(jié)構(gòu)的埃及斧(EAD)跟電容耦合環(huán)(CLL)輻射單元可以產(chǎn)生兩組相互正交的電磁偶極子。為了實現(xiàn)90度相位差的激勵，可使用延遲環(huán)的激勵結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不但可以實現(xiàn)90度的相位差獲得圓極化輻射，而且呈現(xiàn)感性的輸入阻抗，可以直接與容性的整流電路良好匹配，達到最大的交流信號能量轉(zhuǎn)化效率。

2.2 圓極化電小尺寸惠更斯整流天線系統(tǒng)設(shè)計與測試

與線極化整流天線不同的是，圓極化整流天線的整流電路不能與激勵單元印制在同一層介質(zhì)板上，圓極化的設(shè)計需要一小塊額外的介質(zhì)板與延遲環(huán)激勵單元垂直放置，如圖6所示。整體結(jié)構(gòu)依然緊湊，整流電路與惠更斯天線完美結(jié)合。通過測試可以看出，在特定頻點，904.5 MHz，在旋轉(zhuǎn)一周的情況下，整流天線的輸入電壓保持穩(wěn)定，驗證了系統(tǒng)的圓極化特性。同時，由于避免了有損耗的匹配電感，該整流天線還達到了最大可實現(xiàn)的交流直流信號轉(zhuǎn)化效率。

圖5 圓極化電小尺寸惠更斯天線設(shè)計Fig.5 Design of the circularly polarized electrically small Huygens antenna

圖6 圓極化電小尺寸惠更斯整流天線測試與結(jié)果Fig.6 Measured results of the circularly polarized electrically small Huygens rectenna

3 雙功能電小尺寸惠更斯通信天線與整流天線系統(tǒng)

3.1 雙功能系統(tǒng)設(shè)計

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，不僅僅需要無線能量傳輸功能，數(shù)據(jù)通信也是必須可少的功能。然后，如果在緊湊的空間內(nèi)同時實現(xiàn)無線能量傳輸以及通信天線兩種功能具有很大挑戰(zhàn)。本章將介紹一種雙功能電小尺寸惠更斯通信天線與整流天線系統(tǒng)，滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求。如圖7所示，其思路是設(shè)計兩個正交的線極化惠更斯天線系統(tǒng)，一個作為通信天線，一個作為整流天線。由于其正交性，兩個端口之間可以實現(xiàn)完美隔離，隔離度大于30dB。此設(shè)計的關(guān)鍵是整流電路與天線饋線的完美結(jié)合，二者印刷在一小塊印制電路板上，兩個端口互不干擾，垂直于天線單元。

圖7 雙功能電小天線與整流天線系統(tǒng)設(shè)計思路Fig.7 Design concept of the dual-functional electrically small antenna and rectenna system

3.2 雙功能系統(tǒng)測試

圖8顯示了該雙功能系統(tǒng)的測試環(huán)境與測試結(jié)果。該系統(tǒng)的天線模式的方向圖由多探頭的近場測試系統(tǒng)測試，實現(xiàn)了心形惠更斯的輻射方向圖。測試頻率僅僅比仿真頻率略微偏移。在無線能量傳輸模式中，該整流天線同樣實現(xiàn)了感性阻抗，達到了最大可實現(xiàn)的交直流轉(zhuǎn)化效率。由于兩個功能之間的完美正交性，兩個功能互補影響。

圖8 雙功能天線測試結(jié)果Fig.8 Measured results of the dual-functional antenna and rectenna system

4 結(jié)論

本文介紹了三款電小尺寸惠更斯天線與整流天線系統(tǒng)。實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊，高效率，多功能的特點，其性能與傳統(tǒng)整流天線相比較得到了大幅提升。電磁偶極子單元在緊湊的空間內(nèi)得到了完美的結(jié)合。實驗結(jié)果很好地驗證了仿真設(shè)計思路，體現(xiàn)了該類設(shè)計的性能優(yōu)勢。本文設(shè)計十分適合用于無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，具有廣泛的應(yīng)用前景。