基于TRIZ創(chuàng)新方法的微帶天線陣列設(shè)計(jì)

蘇 飛，孫智陽

（天津理工大學(xué)電氣電子工程學(xué)院，天津300384）

美國、日本、中國臺(tái)灣地區(qū)在20世紀(jì)60年代就出現(xiàn)了以發(fā)明問題解決的理論（teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch，TRIZ）為基礎(chǔ)的研究，一些大學(xué)將TRIZ列為工程設(shè)計(jì)方法學(xué)課程。在俄羅斯，TRIZ理論一直被作為大學(xué)專業(yè)技術(shù)必修科目，而且還設(shè)置有TRIZ理論的研究生專業(yè)方向。在美國、北歐等國家的許多院校也都分別開設(shè)了創(chuàng)新教育或類似課程，這些大學(xué)都將TRIZ理論列為工程設(shè)計(jì)方法學(xué)的核心課程，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性解決問題的思維和能力。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，如今TRIZ理論和方法已經(jīng)發(fā)展成為一套解決實(shí)際問題的成熟理論和方法體系。在激活學(xué)生的思維、強(qiáng)化創(chuàng)新意識(shí)、改善教學(xué)方法與手段、訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新思維等方面，逐步引導(dǎo)學(xué)生采用TRIZ理論中40個(gè)發(fā)明創(chuàng)造原理，為學(xué)生提供聯(lián)想思維、想象思維、靈感思維和相互啟發(fā)的平臺(tái)。但由于我國大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)的自身特點(diǎn)，此項(xiàng)工作在我國研究起步較晚，目前進(jìn)行的探索性研究并不多，已有的報(bào)道僅限于部分省市將TRIZ應(yīng)用于課堂啟發(fā)性教學(xué)方面，并表現(xiàn)出了良好的效果[1-2]。

天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院開設(shè)創(chuàng)新課程后，經(jīng)過計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新軟件和理論培訓(xùn)的3名工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)大學(xué)生在2004年舉辦的全國大學(xué)生第三屆“創(chuàng)新杯”設(shè)計(jì)大賽中，運(yùn)用CBT/NOVA中提供的TRIZ理論的創(chuàng)新原理和技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則等工具，借助于Pro/Innovator軟件，解決實(shí)際設(shè)計(jì)過程中遇到的難題，設(shè)計(jì)出“城市烏篷”方案，以其造型新穎、結(jié)構(gòu)富有創(chuàng)新性，一舉奪得設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)并獲得了專家的高度評(píng)價(jià)。通過40個(gè)學(xué)時(shí)的培訓(xùn)，有20余名大學(xué)生在校期間申請(qǐng)了專利。北方工業(yè)大學(xué)在運(yùn)用CBT/NOVA中提供TRIZ理論的創(chuàng)新原理和技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則等工具，借助Pro/Innovator軟件，對(duì)創(chuàng)新大賽中關(guān)于網(wǎng)球拾球器的概念設(shè)計(jì)難題提供了諸多解題思路，并獲獎(jiǎng)。此外，南京理工大學(xué)，華南農(nóng)業(yè)科技大學(xué)等為數(shù)不多的高校對(duì)創(chuàng)新方法在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐中的應(yīng)用，同樣進(jìn)行了初步嘗試和研究。課題組通過該項(xiàng)目的研究，初步探索出了一些有價(jià)值的結(jié)果，主要有：一是在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐計(jì)劃項(xiàng)目實(shí)施中對(duì)創(chuàng)新方法有需求上的緊迫性；二是明確創(chuàng)新方法完全適合在支撐計(jì)劃創(chuàng)新領(lǐng)域應(yīng)用；三是在大創(chuàng)實(shí)踐領(lǐng)域適度開展了創(chuàng)新方法的普及和傳播，初步培養(yǎng)了一支創(chuàng)新的團(tuán)隊(duì)；四是在部分領(lǐng)域開展了試點(diǎn)工作，取得了良好的效果。同時(shí)也分析出，這些結(jié)論在一定程度上是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)嘗試應(yīng)用基礎(chǔ)上得到的，而科研實(shí)踐和TRIZ創(chuàng)新方法結(jié)合的理論研究、項(xiàng)目計(jì)劃管理研究和創(chuàng)新模式或規(guī)律研究尚未涉及[3]。

本文首先說明TRIZ與工程設(shè)計(jì)實(shí)踐相結(jié)合的方法，以解決實(shí)際問題和發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新點(diǎn)的基本原理；其次，基于TRIZ解決發(fā)明的基本流程，分別從定義最佳理想解、技術(shù)矛盾分析等多個(gè)工具詳細(xì)說明如何進(jìn)行問題的提出與描述、沖突矩陣的構(gòu)建、發(fā)明原理的對(duì)應(yīng)；最后給出最終方案[4-5]?；赥RIZ解決問題的流程如圖1所示。

圖1 基于TRIZ解決問題的流程Fig.1 Flow of solving problems based on TRIZ

TRIZ理論把問題歸結(jié)為矛盾，將矛盾分成物理矛盾和技術(shù)矛盾。對(duì)于物理矛盾從時(shí)間、空間和物質(zhì)理想狀態(tài)分析尋求解決矛盾的方法；對(duì)于技術(shù)矛盾，利用TRIZ的矛盾分析工具形成矛盾矩陣，利用標(biāo)準(zhǔn)的39個(gè)工程技術(shù)參數(shù)及對(duì)應(yīng)的40個(gè)發(fā)明原理，引導(dǎo)開發(fā)者發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)和解決問題的方法[6-7]。無線傳能技術(shù)中最核心的部分是對(duì)整流天線的設(shè)計(jì)，國外對(duì)于整流天線的研究起步較早，我國于1994年才開始重視無線傳能技術(shù)，目前對(duì)微帶整流天線的設(shè)計(jì)還不完善[8-10]。

本文把TRIZ應(yīng)用于無線傳能領(lǐng)域的天線設(shè)計(jì)中，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高效率的電磁波能量傳輸。首先通過TRIZ工具分析得到影響無線傳能的關(guān)鍵參量，然后借助HFSS實(shí)現(xiàn)天線的設(shè)計(jì)、仿真、測試和優(yōu)化。

1 TRIZ方法應(yīng)用

1.1 項(xiàng)目背景

隨著信息時(shí)代的發(fā)展，手機(jī)成為絕大多數(shù)人進(jìn)行溝通和獲取信息的工具，是當(dāng)今人類與外界溝通的重要媒介，但對(duì)手機(jī)進(jìn)行充電以保證其工作的同時(shí)還要保證使用手機(jī)的可移動(dòng)性成為了一個(gè)難題。在使用傳統(tǒng)有線充電方式和磁耦合式無線充電方式進(jìn)行充電中，手機(jī)不能進(jìn)行自由移動(dòng)，若想提高充電時(shí)的可移動(dòng)性，需要增加無線充電的傳輸距離。充電裝置分為接收裝置與發(fā)射裝置兩部分。發(fā)射機(jī)通過傳感器在空間內(nèi)智能尋找接收機(jī)的位置，隨后用微波式傳電方式對(duì)這個(gè)位置進(jìn)行集中輸電，輸電距離可以滿足居家環(huán)境的充電需求。促進(jìn)人工智能更容易融入生活，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)。在發(fā)送和接收系統(tǒng)中，天線的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，本項(xiàng)目借助TRIZ創(chuàng)新工具實(shí)現(xiàn)高發(fā)射和接收效率天線，按照問題分析、IFR定義、功能分析定義矛盾、借助發(fā)明原理和物場分析尋找解決方案。

1.2 最佳理想解（IFR）分析

首先，根據(jù)天線傳輸效率的公式來定義IFR，公式表示為：

式中，d為接收端與天線之間的距離；λ為電磁波波長；GT為發(fā)射天線增益；GR為接收天線增益。

IFR定義p為最大，因此，設(shè)計(jì)最終的目標(biāo)是d=0，Lfr=0，即無損耗無限遠(yuǎn)無線電能傳輸。顯然在實(shí)際傳輸環(huán)境中無法做到無損耗即Lfr≠0。經(jīng)過頭腦風(fēng)暴分析，初步得到電能、空氣、智能系統(tǒng)是可以改善系統(tǒng)性能的資源要素，而設(shè)計(jì)目標(biāo)是智能系統(tǒng)。IFR排除限制條件，以明確理想解的方向，保證了問題解決中沿此思路進(jìn)行，IFR分析如表1所示。

表1 IFR分析Tab.1 IFR analysis

1.3 系統(tǒng)功能分析

微波無線傳能系統(tǒng)一般由3部分構(gòu)成，即發(fā)射天線、整流天線和負(fù)載。整流天線系統(tǒng)中除了接收天線還有可抑制高次諧波的低通濾波器、決定整流效率的整流二極管和直通濾波器這4部分，組間相互作用如表2所示。

表2 組間相互作用表Tab.2 Inner group co-function

為了更好地用TRIZ分析整流天線功能模型如圖2所示。由于本文只設(shè)計(jì)接收天線，所以重點(diǎn)分析和接受天線有關(guān)的對(duì)象。

圖2 整流天線功能模型Fig.2 Function model of rectification antenna

基礎(chǔ)模型圖，重點(diǎn)挖掘的矛盾問題有3個(gè)：

問題1：發(fā)射天線和接收天線之間受空間環(huán)境、收發(fā)天線的匹配等因素影響，導(dǎo)致單元收發(fā)天線之間的傳輸效率過低。根據(jù)TRIZ理論，將其定義為不足。

問題2：接收天線和外部結(jié)構(gòu)的相互限制。天線尺寸越大，負(fù)載得到的能量越多，但由于外部結(jié)構(gòu)將接收天線固定時(shí)限制了天線的尺寸，這極大影響了能量傳輸。

問題3：接收天線和低通濾波器之間存在阻抗匹配問題，且在低通濾波器濾除高次諧波的同時(shí)會(huì)引入其固定的接入損耗，影響能量傳遞。

1.4 物場模型和標(biāo)準(zhǔn)解

利用TRIZ理論的物場分析，建立不充足場模型，如圖3（a）所示，并通過查找標(biāo)準(zhǔn)解在物質(zhì)S1或者S2內(nèi)部引入一種添加物S3來解決問題，最終確定解決方案為將接收天線組成陣列，即增加相同的單元天線，充足場模型如圖3（b）所示。

圖3 物場模型Fig.3 Substance-field model

1.5 技術(shù)矛盾

針對(duì)問題2，利用TRIZ理論的技術(shù)矛盾分析，結(jié)合40個(gè)發(fā)明原理，通過問題分析，將問題2的通用工程參數(shù)定義為系統(tǒng)復(fù)雜性和能量損失，查閱矛盾矩陣得出的解決發(fā)明原理如下：序號(hào)35為改變參數(shù)，改變物理狀態(tài)或其他參數(shù)，天線大小和頻率呈負(fù)相關(guān)，故將頻率選定在合適范圍減小天線尺寸。

針對(duì)問題3，同理將工程參數(shù)定義為系統(tǒng)可靠性和功率?；诿芫仃嚕Y選可能采用的發(fā)明原理，序號(hào)11為預(yù)先應(yīng)急措施，事先準(zhǔn)備必要的措施以便應(yīng)對(duì)因物體性能不穩(wěn)定而造成的麻煩，即增加反饋系統(tǒng)。但在本設(shè)計(jì)中不予考慮反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；序號(hào)26為仿制，用廉價(jià)的仿制品代替不易得到的材料。即將微帶天線設(shè)計(jì)為SIR結(jié)構(gòu)代替低通濾波器，或用現(xiàn)有集成芯片實(shí)現(xiàn)整流濾波功能。考慮到天線成本問題，不予采納此方法。

綜上所述，將本設(shè)計(jì)定為工作于5.80 GHz的微帶天線，后續(xù)可考慮用帶有反饋系統(tǒng)的濾波整流芯片與微帶天線相結(jié)合的方式。

2 5.8 GHz微帶天線的設(shè)計(jì)

2.1 單元天線的設(shè)計(jì)

根據(jù)相應(yīng)的理論分析，在本次設(shè)計(jì)中，將天線設(shè)計(jì)在60 mm×60 mm×1.60 mm的材料為FR-4矩形介質(zhì)基板上，貼片材料為銅片，介電常數(shù)εr=4.4，損耗正切角tanδ=0.02。天線初步設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表3 天線初步設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3 Initial parameters of antenna

通過HFSS仿真進(jìn)一步確定天線長度和寬度對(duì)天線性能的影響。通過不斷優(yōu)化得到天線最終參數(shù)，如表4所示。

表4 天線最終參數(shù)Tab.4 Final parameters of antenna

設(shè)計(jì)得到天線性能如圖4所示。

圖4 天線性能Fig.4 Performance of antenna

可以看出，在5.80 GHz時(shí)，S11值為-50.36 dB，說明此天線性能較好，天線工作帶寬為202 MHz。輸入阻抗為（49.943 0-j0.297 7）Ω，天線結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到良好匹配。

2.2 陣列天線的設(shè)計(jì)

基于本次設(shè)計(jì)的單元天線，可將天線設(shè)計(jì)為串并結(jié)合的饋電陣列，與單元天線相比，饋電方式發(fā)生變化，改為探針饋電的方式。在組陣列時(shí)，各單元天線之間存在互耦效應(yīng)，以及兩者的輸入阻抗也不同，將導(dǎo)致天線單元在天線陣中的方向圖發(fā)生改變，為了解決互耦效應(yīng)，單元天線之間間距大小的設(shè)置尤其重要。經(jīng)過68次優(yōu)化，確定陣列天線的最終參數(shù)如表5所示。

表5 陣列天線的最終參數(shù)Tab.5 Final parameters of array antenna

設(shè)計(jì)得到天線陣列性能如圖5所示。

圖5 天線陣列性能Fig.5 Performance of array antenna

由圖5（b）可看出在5.80 GHz時(shí)，輸入阻抗為（50.412 4-j4.971 3）Ω，已經(jīng)達(dá)到良好的匹配。

2.3 天線實(shí)物制作

制作的天線實(shí)物及實(shí)測如圖6所示。由于加工條件的限制，難免與理想模型有一定差距。

圖6 天線實(shí)物及實(shí)測Fig.6 Real-made antenna and measurement

一方面是由于加工制作時(shí)產(chǎn)生的誤差，另一方面是由于測試設(shè)備的限制，如實(shí)驗(yàn)環(huán)境中存在噪聲及各種干擾因素。由圖6測試結(jié)果可以看出，在諧振頻段內(nèi)，此陣列天線滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)基于TRIZ理論的最佳理想解和系統(tǒng)功能兩種分析方法，推導(dǎo)出設(shè)計(jì)無線傳能中微帶天線的3個(gè)重要參量；其次，設(shè)計(jì)了一種中心頻點(diǎn)為5.80 GHz的嵌入式微帶貼片單元天線，微帶線饋電。經(jīng)過HFSS優(yōu)化，仿真結(jié)果顯示天線除方向性外其余指標(biāo)性能良好；第三，設(shè)計(jì)出同軸饋電串并結(jié)合式陣列天線；最后，經(jīng)過仿真優(yōu)化，天線的方向性得到極大改善。實(shí)物測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的陣列天線滿足整體設(shè)計(jì)要求。