一種雙頻射頻能量接收天線的設(shè)計?

張 凱 呂 健

（江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

當(dāng)前無線通信技術(shù)的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了更為廣泛的應(yīng)用［1～2］。由于人們生活周圍存在大量的無線電波信號，因此研究射頻能量收集技術(shù)解決無線傳感器節(jié)點供電問題有非常好的可行性。這種能量收集技術(shù)未來會催生許多的“綠色”電子設(shè)備［3］，這非常符合國家大力發(fā)展綠色能源的要求。射頻能量收集系統(tǒng)主要由接收天線、輸入濾波電路、用于將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流電能的整流二極管和輸出濾波電路構(gòu)成［4］。接收天線主要有微帶天線、平面印刷偶極子天線、單極振子天線［5～7］等形式?，F(xiàn)階段對接收天線的研究重點主要是接收天線的工作頻段（多頻段）、頻帶寬度（寬頻化）以及天線的尺寸（小型化）［8～10］。文獻［11］提出一種采用CPW 技術(shù)、應(yīng)用于手機的WLAN 雙頻天線，其主要結(jié)構(gòu)為折疊型L-L，尺寸為10 mm×35 mm×1.2 mm，實現(xiàn)了天線的小型化及雙頻化應(yīng)用；文獻［12］提出一種適用于WLAN 的緊湊型雙頻天線，天線介質(zhì)板正面為倒置“土”字型貼片，背面為開縫切角貼片，有較好的輻射全向性，最大增益為2.6 dBi，只不過該天線帶寬較窄，不利于天線寬頻化應(yīng)用；文獻［13］提出一種三頻段單極子貼片天線，天線可同時工作在2.4/5.2/5.8Ghz 三個頻段，其主要結(jié)構(gòu)是2 個L 形支路，該設(shè)計重點研究了天線的多頻化應(yīng)用；文獻［14］提出一種結(jié)構(gòu)簡單的6/9 形寬頻帶單極子天線，天線可工作在多個頻段，同時在2.58GHZ和4.705GHZ這兩個頻段分別獲得了14.8%（2.36GHz～2.73GHz），52.8%（3.46GHz～5.94GHz）的相對帶寬（S11- ≤10 dB），該設(shè)計有效展寬了天線的頻帶寬度。

本文以單極子天線為基礎(chǔ)，通過倒L 型結(jié)構(gòu)和Hilbert曲線結(jié)構(gòu)，提出了一種中心頻率分別為2.45 GHz和5.8 GHz的雙頻單極子天線。該天線通過微帶線實現(xiàn)饋電，使用FR4 材質(zhì)，其相對介電常數(shù)為4.4，損耗正切為0.02，厚度為1.6 mm。仿真結(jié)果表示，天線在兩個頻段工作特性良好，分別獲得50 MHz（2430MHz～2480MHz）和360MHz（5630MHz～5990 MHz）的阻抗帶寬（S11≤-10 dB），天線結(jié)構(gòu)簡單，總體尺寸只有18.9 mm×15.4 mm×1.6 mm，滿足天線的小型化要求。

2 天線結(jié)構(gòu)與原理

單極子天線因為其結(jié)構(gòu)簡單、易于制作、剖面低等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用，本文提出的雙頻單極子天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單極子天線結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計天線前一般需要根據(jù)設(shè)計需求來選擇合適的介質(zhì)材料，介質(zhì)材質(zhì)的介電常數(shù)、損耗正切以及厚度都會對天線的性能指標(biāo)產(chǎn)生一定的影響。介質(zhì)層厚度增加，在一定程度上會展寬天線的工作帶寬，但會造成天線尺寸的增加；介電常數(shù)代表介質(zhì)層對場的束縛能力，數(shù)值高會使天線的帶寬相對變窄同時會產(chǎn)生表面波，表面損耗增大，導(dǎo)致天線增益降低。綜合考慮成本等因素，本文天線設(shè)計采用FR4 材質(zhì)的介質(zhì)基板。天線介質(zhì)板上表面為單極子天線和微帶饋線，左側(cè)的倒L 型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高頻，使天線工作在5.8 GHz 附近，而右側(cè)的Hilbert結(jié)構(gòu)會在低頻端引入低頻諧振頻率。通過三維電磁場仿真軟件HFSS，不斷優(yōu)化天線的各項參數(shù)，最終獲得雙頻單極子天線工作的中心頻率分別為2.45 GHz和5.8 GHz，中心頻率處S11≤-20 dB。

在該天線的設(shè)計中，由單極子天線的設(shè)計原理，估算出雙頻單極子天線的大概尺寸［15］。本文天線分別工作在2.45 GHz 和5.8 GHz 這兩個頻段，其自由空間天線波長計算公式為

由式（1）計算出在自由空間對應(yīng)的波長分別為122 mm和52 mm。

其在介質(zhì)中傳播時，天線波長的計算公式為

由式（2）計算出相對應(yīng)的波長分別為58.2 mm和24.8 mm。

雙頻單極子天線波的傳播既經(jīng)過自由空間也經(jīng)過填充介質(zhì)，因此實際波長是介于兩者之間，由此最終得出天線的理論波長:在2.45 GHz 工作頻段，14.6 mm ≤1/4波長≤30.5 mm；在5.8 GHz工作頻段，6.2 mm ≤1/4 波長≤13 mm。其中，λ 為自由空間的波長，λε為介質(zhì)中傳播的天線波長，εr為介電常數(shù)，數(shù)值取4.4，c 表示光速，f 為諧振頻率。綜合考慮各項參數(shù)，天線的初始尺寸如表1所示。

表1 雙頻單極子天線初始幾何尺寸參數(shù)

3 天線仿真、優(yōu)化與分析

根據(jù)以上的模型參數(shù)，利用三維電磁場仿真軟件HFSS對天線進行建模和仿真優(yōu)化。在進行天線設(shè)計時，需要建立天線模型，設(shè)置介質(zhì)層上下表面的金屬片為理想導(dǎo)體邊界條件，天線饋電面設(shè)置為集總端口激勵，之后對天線進行性能仿真，優(yōu)化天線的性能指標(biāo)。

3.1 電路參數(shù)分析

天線性能受到各項參數(shù)的影響，本文使用控制變量法，通過只優(yōu)化一種參數(shù)，保持其他參數(shù)不變的方法來分析該參數(shù)對天線性能的影響，從而設(shè)計出符合要求的最優(yōu)參數(shù)的天線。由雙頻單極子理論可知，L2、L3、W1是高頻臂的組成部分，主要影響天線的高頻段；同理，L0、W2主要影響天線的低頻段，下面將重點分析研究L2、L3、W1、L0、S等參數(shù)對天線的作用。

在HFSS 工程樹下添加L2為掃描變量，設(shè)置變量L2的掃描范圍為3mm～4mm，S11分析結(jié)果如圖2（a）所示。由圖可知，參數(shù)L2的改變主要對高頻段有影響，低頻諧振點位置幾乎未發(fā)生改變，這驗證了L2是高頻臂組成部分的結(jié)論。隨著L2數(shù)值的增大，可見高諧振頻點往低頻處偏移，同時也發(fā)現(xiàn)L2的改變對高低頻帶寬的改善沒有明顯作用。

設(shè)置參數(shù)L3的掃描范圍，回波損耗S11分析結(jié)果如圖2（b）所示，改變L3參數(shù)對天線的高頻段影響較大，高頻諧振頻率隨著天線臂長度變量L3的增大而減小，同時明顯可以看出，當(dāng)S11<-10 dB 時，高頻段的帶寬和匹配性能都有所變好，當(dāng)L3=6 mm 時，中心頻率在5.8 GHz，S11<-20 dB。

設(shè)置L0參數(shù)的掃描范圍為6.5mm～7.5mm，步進為0.5mm。由圖2（c）可知，改變L0參數(shù)對天線的高低諧振頻點都會有影響。整體來看，隨著L0增大，兩個諧振點會同時往左側(cè)漂移，由于L0是低頻臂的一部分，所以可以看出該參數(shù)對低頻諧振點影響更大。當(dāng)L0=7.5mm 時，兩個諧振點落在2.45 GHz 和5.8 GHz 附近，S11<-20 dB，工作中心頻率符合設(shè)計要求。

設(shè)置S參數(shù)的掃描范圍，回波損耗S11分析結(jié)果如圖2（d）所示，微帶線寬度的增加會使天線工作的中心頻率往高頻方向移動，同時帶寬也會隨著尺寸的增加有所改善，結(jié)合增大L0參數(shù)使諧振點往左側(cè)漂移的特點，可以優(yōu)化天線的帶寬性能，同時使天線的中心頻率在2.45 GHz和5.8 GHz。

圖2 天線各參數(shù)對回波損耗的影響

最后通過HFSS 軟件的優(yōu)化算法設(shè)計，綜合考慮各個參數(shù)對天線性能的影響，得到最終的天線尺寸參數(shù)如圖3所示。

圖3 雙頻單極子天線優(yōu)化尺寸圖

3.2 天線仿真結(jié)果分析

通過上述方法，設(shè)計了一個倒L 型和Hilbert曲線結(jié)構(gòu)相結(jié)合的雙頻單極子天線，天線工作于IEEE 802.11a 和802.11b 兩個工作頻段，中心頻率分別為2.45 GHz 和5.8 GHz。天線設(shè)計完成后，將對設(shè)計好的天線進行性能參數(shù)分析，本文著重分析研究了天線的回波損耗（S11）、駐波比、輸入阻抗以及方向圖等性能參數(shù)。

圖4 天線仿真分析結(jié)果

圖4 （a）是單極子天線S11掃頻分析結(jié)果，由圖可得，天線工作在兩個頻段，當(dāng)S11≤-10 dB 的帶寬分別為50 MHz 和360 MHz，且天線相對帶寬分別為2.04%和6.21%，符合無線通信標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠滿足射頻能量收集器對周圍環(huán)境中無線信號的收集。

圖4（b）是天線的電壓駐波比分析結(jié)果圖，圖中可以看出，在2.45 GHz 標(biāo)記點處，VSWR=1.104，在5.8 GHz 處的值為1.103，駐波比數(shù)值都小于1.5，可以得出天線的微帶饋線和天線的阻抗匹配良好，也一定程度上反應(yīng)了天線接收信號的靈敏度高。

圖4（c）是天線的輸入阻抗值，實線表示輸入阻抗的電阻部分，虛線則表示為電抗，由圖中標(biāo)記點可以看出，天線在兩個工作頻點處的輸入阻抗與50 Ω的匹配阻抗值接近。

圖4（d）是天線在5.8 GHz 的E、H 面增益方向圖，實線為E 面（xz 面），虛線為H 面（xy 面）。由圖可知，天線在此頻率E 面的最大增益約為2.46 dB，此時Theta 和Ang 的角度都為130°；H 面的天線最大增益約為1.31 dB，此時Theta 和Ang 的角度都為150°。由于損耗和天線尺寸較小的緣故，天線的增益有待提高。

4 結(jié)語

本文在普通雙頻單極子天線的基礎(chǔ)上，提出一種Hilbert 曲線結(jié)構(gòu)的單極子天線來實現(xiàn)天線的雙頻工作。該天線尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、易于設(shè)計。通過對天線材質(zhì)的選擇，利用HFSS 三維電磁場仿真軟件，對天線進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)的仿真分析。對比分析了天線各尺寸參數(shù)對天線性能的影響，優(yōu)化了天線設(shè)計。仿真結(jié)果顯示，該天線工作于2.45 GHz和5.8 GHz兩個頻率，有良好的匹配特性，并且在高頻的增益達到了2.46 dB。但該天線的工作帶寬需要進一步的優(yōu)化和拓展，同時該天線需要作出實物才能更好地去驗證天線的性能和實用性。