太陽(yáng)能電池與反射陣天線的一體化集成設(shè)計(jì)

郝軼楠，尹佑甲，曹曉偉，鄧長(zhǎng)江

(北京理工大學(xué) 集成電路與電子學(xué)院，北京 100081)

0 引言

在無線通信系統(tǒng)中，用于發(fā)射和接收電磁波的天線有著不可或缺的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，天線應(yīng)用的場(chǎng)景越來越多，各式各樣不同種類、不同性能的天線應(yīng)運(yùn)而生。其中，高增益天線是天線中很重要的一個(gè)分類。與拋物面天線[1]、相控陣天線[2-4]等傳統(tǒng)高增益天線相比，反射陣天線由于不需要復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)、重量輕、易于制造和成本低等優(yōu)勢(shì)[5-7]得到了關(guān)注。

反射陣天線包括饋源天線和反射面兩部分。饋源天線輻射的球面波照射到反射面上，由不同反射單元進(jìn)行相位補(bǔ)償后再出射，通過計(jì)算每個(gè)單元的相位補(bǔ)償以及合理排布反射單元，可以在特定方向上得到經(jīng)過反射后的平面波[8]。

太陽(yáng)能作為一種理想的可再生能源，近年來廣泛受到人們的關(guān)注，在許多領(lǐng)域也已得到了成熟的應(yīng)用。將太陽(yáng)能電池與天線進(jìn)行一體化集成的優(yōu)勢(shì)在于可以更加高效地利用空間資源，同時(shí)降低加工成本。文獻(xiàn)[9-11]將太陽(yáng)能電池與貼片天線集成，但太陽(yáng)能電池并未被直接作為天線的一部分。文獻(xiàn)[12]將太陽(yáng)能片等效為金屬片，直接作為天線的輻射貼片。文獻(xiàn)[13-14]將太陽(yáng)能片的金屬層作為天線地板。除此之外，將太陽(yáng)能電池與反射陣天線集成的研究也早已開始進(jìn)行。文獻(xiàn)[15]采用矩形環(huán)作為反射陣的單元結(jié)構(gòu)，矩形環(huán)置于玻璃基板上，玻璃層底部為非晶硅太陽(yáng)能電池與地板層。文獻(xiàn)[16]將反射陣單元與銦砷化鎵太陽(yáng)能電池完全集成，底部為太陽(yáng)能電池，電池上覆蓋玻璃層，在玻璃頂部印刷交叉偶極子，太陽(yáng)能電池底部的金屬層直接作為反射陣地板。以上太陽(yáng)能反射陣都是將太陽(yáng)能放置在單元底部，與地板集成在一起。雖然使用了透明的玻璃基板，但頂層貼片仍會(huì)對(duì)光照產(chǎn)生一定的遮擋，影響太陽(yáng)能電池的效率。

本文提出了一種將太陽(yáng)能電池作為頂層貼片的太陽(yáng)能反射陣天線，這種結(jié)構(gòu)意味著太陽(yáng)能電池上方?jīng)]有任何遮擋，使其可以百分之百地吸收光照，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化的效率最大化。

1 太陽(yáng)能電池板結(jié)構(gòu)

多晶體硅太陽(yáng)能電池片通?？梢苑譃?部分：底層為覆蓋整個(gè)底面的金屬層，材質(zhì)通常為金屬鋁，用作電池的負(fù)極；中間層通常為厚度200～300 μm的硅晶片，其表面附著約0.3～0.5 μm厚的P-N結(jié)；頂層為均勻分布的細(xì)銀線以及1～2條較寬的母線，作為電池的正極[17]。

但由于太陽(yáng)能電池片厚度很薄、易碎，而且能夠選擇的尺寸有限，本文選用了更加結(jié)實(shí)的滴膠太陽(yáng)能電池板與反射陣天線進(jìn)行集成。滴膠太陽(yáng)能電池板是將太陽(yáng)能電池片封裝后得到的。具體封裝過程為：將切割好的太陽(yáng)能電池片放置在PCB板上，再用滴膠覆蓋太陽(yáng)能電池片將其固定住，并將電池正負(fù)極引出到PCB板背面相應(yīng)的焊盤，便于用導(dǎo)線進(jìn)行焊接。其實(shí)物如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能電池板實(shí)物

在使用Ansoft HFSS軟件仿真時(shí)，將太陽(yáng)能電池片的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為2層：底層為厚度35.71 μm的鋁，頂層為厚度210.23 μm的硅[17]。在最初仿真時(shí)還在硅層上面加了厚度17.63 μm的銀線，模擬太陽(yáng)能電池的正電極，發(fā)現(xiàn)由于銀線很細(xì)，對(duì)仿真結(jié)果幾乎沒有影響，但仿真所需要的時(shí)間極大增加，因此在之后的仿真中去掉了最頂層的銀線，只用鋁和硅2層介質(zhì)模擬太陽(yáng)能電池片。

市面上一般選用FR-4，CEM-3等PCB板作為太陽(yáng)能電池板的底板，頂層的滴膠為環(huán)氧樹脂材質(zhì)。本文的設(shè)計(jì)中選取了一種30 mm×25 mm的太陽(yáng)能電池板，其中太陽(yáng)能片的尺寸為27 mm×18 mm。

用于仿真的太陽(yáng)能電池板等效模型如圖2所示。用尺寸為30 mm×25 mm×1 mm的FR-4材質(zhì)作為底板，其介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02；在底板頂部放置太陽(yáng)能片的等效模型，即下層為厚度35.71 μm的鋁，上層為厚度210.23 μm的硅，整體尺寸為27 mm×18 mm；在太陽(yáng)能片頂部覆蓋一層厚度為1.5 mm的環(huán)氧樹脂層，其介電常數(shù)為3.6。最后在底板底部按照實(shí)際結(jié)構(gòu)畫出正負(fù)電極的形狀，設(shè)置為理想導(dǎo)體。

圖2 太陽(yáng)能電池板結(jié)構(gòu)示意

2 反射陣單元設(shè)計(jì)

2.1 單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

反射單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。本文設(shè)計(jì)的反射陣單元分為3層結(jié)構(gòu)，最頂層是太陽(yáng)能板，其中作為太陽(yáng)能片負(fù)極的鋁板同時(shí)被用作反射陣單元的輻射貼片。中間層是厚度1 mm、介電常數(shù)為2.65的F4B基板。在F4B基板頂面刻蝕出相位延遲線，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，由一個(gè)方形環(huán)與加載的3條開路枝節(jié)組成，其中中心枝節(jié)的長(zhǎng)度略長(zhǎng)于兩側(cè)枝節(jié)。單元的最底層是金屬地板。相鄰的2層之間都為空氣層，上下2層空氣層的厚度分別為H1，H2。反射陣單元的具體尺寸如表1所示。

圖3 反射單元結(jié)構(gòu)示意

圖4 單元相位延遲線結(jié)構(gòu)示意

表1 單元結(jié)構(gòu)參數(shù)

所設(shè)計(jì)的反射陣單元尺寸為46 mm×46 mm，即0.4λ0×0.4λ0。亞波長(zhǎng)單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有利于讓單元相位特性曲線更加平緩[18]，從而在組陣之后減小相位誤差帶來的影響，提升天線性能。

2.2 單元尺寸優(yōu)化

在Ansoft HFSS軟件中利用主從邊界法分析無限周期結(jié)構(gòu)中的反射陣單元。仿真結(jié)果表明，2層空氣層的厚度以及加載開路枝節(jié)的數(shù)量、間距都對(duì)單元反射相位有一定的影響。接下來通過調(diào)整一系列參數(shù)，對(duì)反射陣單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.1 兩側(cè)枝節(jié)對(duì)單元性能影響

首先探究開路枝節(jié)數(shù)量造成的影響。只加載一個(gè)開路枝節(jié)與加載3個(gè)開路枝節(jié)時(shí)，在2.6 GHz處單元的反射相位隨枝節(jié)長(zhǎng)度a的變化，如圖5所示。從仿真結(jié)果可以看出，只加載一個(gè)開路枝節(jié)時(shí)，在中心枝節(jié)長(zhǎng)度a在12～30 mm變化過程中，單元反射相位從-40°變化為-281°，僅實(shí)現(xiàn)了241°的相位跨度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到所需要的360°相位調(diào)控范圍。而在中心枝節(jié)兩側(cè)再添加2個(gè)長(zhǎng)度為中心枝節(jié)的2/3的寄生枝節(jié)后，單元反射相位的跨度得到了明顯的改善，從-31°變化為-395°，獲得了364°的相位跨度，滿足了組陣需求。

圖5 枝節(jié)數(shù)量與單元相移關(guān)系

其次探討兩側(cè)枝節(jié)長(zhǎng)度的選取。將兩側(cè)枝節(jié)長(zhǎng)度與中心枝節(jié)長(zhǎng)度之比設(shè)為l，l為不同值時(shí)單元反射相位隨中心枝節(jié)長(zhǎng)度a的變化如圖6所示。隨著l的增大，單元反射相位跨度隨之增加。在l=1時(shí)，由于出現(xiàn)諧振點(diǎn)，反射相位隨枝節(jié)長(zhǎng)度a不再是線性變化，因此經(jīng)過對(duì)比，最終選擇l=4/5的結(jié)構(gòu)。

圖6 兩側(cè)與中心枝節(jié)長(zhǎng)度之比與單元相移關(guān)系

2.2.2 空氣層厚度對(duì)單元性能的影響

在設(shè)計(jì)反射陣單元時(shí)，除了需要考察反射相位的調(diào)控范圍，還應(yīng)關(guān)注不同頻率下相移曲線的平行度。為了提高反射陣增益的穩(wěn)定性，需要在盡可能寬的頻帶范圍內(nèi)獲得相互平行的單元反射相位曲線[19]。經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)，空氣層厚度對(duì)于相移曲線的平行度影響較大。

不同空氣層厚度下不同頻率的單元相移曲線如圖7所示，H1與H2分別為上下2層空氣層的厚度。當(dāng)H1，H2的取值不合適時(shí)，反射陣單元在不同頻率處的相位曲線不相平行，意味著天線只能工作在很窄的帶寬。經(jīng)過仿真優(yōu)化，最終確定H1=H2=7 mm，此時(shí)單元在2.42，2.6和2.78 GHz三個(gè)頻點(diǎn)的反射相位曲線基本平行，有利于提升在一定帶寬范圍內(nèi)陣列增益的穩(wěn)定性。

(a) H1=3 mm,H2=7 mm

2.3 最終單元仿真結(jié)果

經(jīng)過一系列仿真優(yōu)化，最終確定了反射陣單元的結(jié)構(gòu)與尺寸。對(duì)于反射陣天線，單元的損耗會(huì)對(duì)陣列的效率造成影響。損耗一般來源于金屬損耗、介質(zhì)損耗以及表面波損耗，其中前2種損耗造成的影響占比更大[20]。在本文的設(shè)計(jì)中，由于太陽(yáng)能電池板的存在，額外的介質(zhì)損耗是不可避免的。0°，10°入射時(shí)不同枝節(jié)長(zhǎng)度下單元的反射系數(shù)曲線如圖8所示。由圖8可以看出，0°入射時(shí)，該單元在不同尺寸下的損耗均較小，反射性能良好；10°入射時(shí)，單元損耗增大，但也在接受范圍內(nèi)。

(a) 0°入射

不同入射角度下單元反射相位隨單元尺寸變化的曲線如圖9所示。在0°入射、10°入射與20°入射情況下，單元相移曲線基本重合，最大相位差為27°，可以最大限度地減小處在陣列中不同位置的單元接收到的電磁波入射角度不同造成的影響。且該單元在不同入射角度下都實(shí)現(xiàn)了約540°的相位跨度。

圖9 不同入射角度下單元相移曲線

3 反射陣列設(shè)計(jì)

基于以上單元結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了口徑尺寸為690 mm×690 mm的反射陣列，陣列模型如圖10所示，陣列由15×15個(gè)單元組成，反射陣面位于x-y平面，陣面中心位于原點(diǎn)。選用15 dB標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭作為反射陣的饋源。饋源的方向如圖11所示，E面和H面方向圖具有良好的對(duì)稱性，其-10 dB 波束寬度為46°。由于饋源尺寸相對(duì)于反射陣面較大，為了避免饋源遮擋對(duì)反射波束的影響，采用10°斜入射對(duì)反射陣進(jìn)行饋電。入射波束位于x-z平面，與反射陣法向成10°夾角。設(shè)計(jì)反射陣的波束指向?yàn)殛嚸娴姆ㄏ颍处? 0°，φ= 0°。

圖10 反射陣天線模型

圖11 饋源仿真方向圖

焦徑比的選取需要通過仿真來確定。相同參考相位下，焦徑比為1.0和1.2時(shí)，增益都為21.8 dBi。經(jīng)過仿真優(yōu)化，最終確定焦徑比F/D=1.1，此時(shí)陣列可獲得最大增益，為22.5 dBi。不同焦徑比下反射陣的E面方向圖如圖12所示。

圖12 不同焦徑比下反射陣仿真方向

確定陣面尺寸及焦徑比后，使用Matlab編程計(jì)算出各個(gè)反射單元所需要的相位補(bǔ)償，如圖13所示，再計(jì)算出每個(gè)相位對(duì)應(yīng)的單元尺寸，對(duì)反射陣列進(jìn)行建模。

圖13 補(bǔ)償相位分布

在15×15反射陣天線設(shè)計(jì)完成后，利用Ansoft HFSS軟件對(duì)陣列進(jìn)行仿真。得到的反射陣列天線的E面和H面方向圖如圖14所示。

圖14 陣列天線仿真方向圖

由圖14可以看出，設(shè)計(jì)的反射陣天線實(shí)現(xiàn)了主波束輻射方向?yàn)棣?0°，φ=0°。在2.6 GHz處，增益為22.5 dBi，副瓣電平為-15 dB。該天線的口徑效率為39.5%。由于單元尺寸小于半波長(zhǎng)，互耦效應(yīng)也對(duì)陣列仿真結(jié)果產(chǎn)生了一定影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種太陽(yáng)能反射陣，利用太陽(yáng)能電池內(nèi)部的金屬層直接作為反射單元的輻射貼片，將太陽(yáng)能板置于反射陣上方，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能電池的最大光電轉(zhuǎn)化效率與反射陣天線的功能。反射陣工作在2.6 GHz處，在電磁波10°入射的情況下可實(shí)現(xiàn)0°出射的效果，最大增益為22.5 dBi?？紤]到實(shí)際加工的便利性，選用了封裝好的滴膠太陽(yáng)能板而非易碎的太陽(yáng)能電池片，因此太陽(yáng)能板較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)不可避免地對(duì)反射陣天線的性能產(chǎn)生了一定的影響。將太陽(yáng)能電池與天線集成有效地節(jié)約了空間資源，有利于系統(tǒng)的小型化發(fā)展，是未來光伏天線的一種研究趨勢(shì)。