一種超寬帶能量收集整流天線設(shè)計(jì)

薛 亮，白 雪，徐雷鈞

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

無(wú)線通信技術(shù)日新月異，已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊粋€(gè)組成部分。人們可以很容易接收到電視、蜂窩網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi 信號(hào)。通過(guò)射頻能量收集技術(shù)，這些信號(hào)可以為一些低功耗設(shè)備供電。因此，射頻能量收集被認(rèn)為是一種越來(lái)越重要的技術(shù)[1]。射頻能量收集的原理是通過(guò)天線接收空間無(wú)線電磁波，對(duì)無(wú)線電磁波能量進(jìn)行整流，轉(zhuǎn)換成直流能量?jī)?chǔ)藏在大電容中，從而實(shí)現(xiàn)能量獲取的目的[2]。隨著5G 的普及，環(huán)境中的頻譜資源日益豐富，作為接收射頻能量的天線受到廣泛關(guān)注[3-4]。同時(shí)，能夠覆蓋多頻率范圍的寬頻天線成為人們的研究熱點(diǎn)[5]。

文獻(xiàn)[6]在0.85～1.94 GHz 的頻段內(nèi)有較好的性能但帶寬很窄；文獻(xiàn)[7]通過(guò)給天線開槽，實(shí)現(xiàn)寬帶；文獻(xiàn)[8]通過(guò)增加介質(zhì)層數(shù)，實(shí)現(xiàn)寬帶；文獻(xiàn)[9]則采用陣列天線實(shí)現(xiàn)寬頻，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用面積大，設(shè)計(jì)難度增加。文獻(xiàn)[10]中頻寬為1.7 GHz，整流電路效率僅為8%，而文獻(xiàn)[11]中，頻寬0.3 GHz，整流效率卻提高到了15%。文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型雙槽天線，帶寬為0.866～1.41 GHz 和1.7～3 GHz。文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)了一種新型三分支整流電路，最大整流效率為61.7%。文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了一種雙頻段帶通LC 實(shí)現(xiàn)雙頻化。文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了一種新型三分支整流電路，最大整流效率為61.7%。因此，需要從多個(gè)窄頻帶做整流電路，而不是從整個(gè)寬頻帶。本文設(shè)計(jì)了一款能夠覆蓋3G、4G、Wi-Fi 頻段的寬頻高增益天線，在天線的接地板通過(guò)開圓形槽的方式，增加天線帶寬，另一方面，提高了天線在工作頻段內(nèi)的增益。該天線在1～14 GHz 時(shí)S11＜-10 dB，在最大輻射方向增益可達(dá)6.26 dBi。天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)特性穩(wěn)定，在寬帶范圍內(nèi)可進(jìn)行能量收集。并且在性能最佳的2.4 GHz 頻帶內(nèi)在天線上做整流電路，設(shè)計(jì)了一款小型化高轉(zhuǎn)換效率整流天線。

1 天線結(jié)構(gòu)的仿真設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1 所示，天線印制在一塊厚度為1.6 mm，介電常數(shù)εr=4.7 的FR4 基板上。天線正面的圓形貼片為輻射單元，饋電采用了側(cè)饋的形式，由圓形貼片引出一條微帶線。天線的背面通過(guò)開圓環(huán)槽的方式，在輻射貼片上激勵(lì)出更大的電流，增大輻射。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

最終設(shè)計(jì)的天線整體尺寸為50 mm×50 mm×1.6 mm，經(jīng)過(guò)HFSS 軟件優(yōu)化仿真后，得出了天線的最終尺寸：W=50 mm，L=50 mm，R1=9.2 mm，R2=21.5 mm，R3=6 mm。天線的工作頻段為1～14 GHz。圖2 為開槽前后S11參數(shù)的對(duì)比圖，可以從圖中看出，-10 dB 阻抗帶寬從未開槽的窄帶展寬到了13.2 GHz。

圖2 開槽前后S11 變化圖

為了分析地板開槽對(duì)天線性能的影響，圖3 給出了天線圓形貼片在2.4 GHz 時(shí)的表面電流分布圖。通過(guò)對(duì)開槽前后電流分布以及大小對(duì)比分析：在2.4 GHz 時(shí)，開槽對(duì)電流分布影響較小，開槽的主要影響為激勵(lì)出更大的表面電流。這說(shuō)明，開槽之前天線的信號(hào)吸收效率低，輻射性能差；而開槽后，能夠較好地提高天線的性能。綜合圖2 和圖3 可以看出，不僅天線的帶寬得到擴(kuò)展，天線的輻射性能也得到了提升。

圖3 開槽前后輻射貼片表面電流分布

圖4 為開槽天線增益仿真結(jié)果圖，在低頻1～4 GHz范圍，天線的E 面和H 面方向性較好且在H 面為全向，E 面為“8”字型輻射，具有很好的對(duì)稱性。在高頻段5～14 GHz 的頻段內(nèi)，天線的最大方向增益雖然有所提升，但是方向性變差。

針對(duì)射頻能量收集天線來(lái)說(shuō)，方向性良好的接收天線可以盡可能多地收集環(huán)境中的射頻能量。從圖4(a)可以看出，雖然此頻段的輻射效率稍低(最大輻射方向增益為6.26 dBi)，但是在X-O-Y 平面表現(xiàn)出良好的全向性，有利于在多樣性的環(huán)境能量分布中，更好地滿足實(shí)際需求。

圖4 開槽天線增益圖

2 整流電路仿真設(shè)計(jì)

整流電路用于將天線接收到的電磁波能量(RF)轉(zhuǎn)換為直流電能(DC)。整流電路的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是在一定的功率和負(fù)載下獲得最大的轉(zhuǎn)換效率。肖特基二極管由于較低的導(dǎo)通電壓、較大的反向擊穿電壓和低功耗，常被選為微波整流器件。使用SMS7630 作為整流二極管，該肖特基二極管具有較低的開啟電壓，十分適合用于射頻能量收集。本設(shè)計(jì)采用二倍壓整流電路,獲取較高的輸出電壓，如圖5 所示。

圖5 二倍壓整流電路拓?fù)鋱D

假設(shè)輸入射頻信號(hào)為Vin，該信號(hào)在負(fù)半周時(shí)，D1 進(jìn)行整流，能量?jī)?chǔ)存在C1中，正半周時(shí)，D2 進(jìn)行整流，能量?jī)?chǔ)存在C2中，在下個(gè)周期開始時(shí)，電容C1中儲(chǔ)存的能量會(huì)傳輸?shù)紺2中，給負(fù)載RL供電。輸出電壓可用式(1)表示。其中Vout為負(fù)載兩端電壓，VD為二極管正向?qū)妷?。使用過(guò)多的整流二極管，會(huì)導(dǎo)致整流效率降低。

圖5 中C2起到濾波作用，確保負(fù)載上只有直流信號(hào)通過(guò)。使用ADS 仿真軟件對(duì)二極管進(jìn)行諧波平衡仿真，確定整流電路的最佳負(fù)載以及輸入阻抗。最終確定負(fù)載RL=1.2 kΩ，C1=C2=1 nF。在頻率為2.4 GHz、輸入功率為2.3 dBm 下，此時(shí)整流電路的輸入阻抗為118.5-j52.95 Ω。

匹配電路用分立器件T 型匹配，如圖6 所示，其中L1=5.5 nH，L2=9.4 nH，C1=0.85 pF。利用史密斯圓圖進(jìn)行匹配后，可通過(guò)式(2)進(jìn)行RF-DC 效率的計(jì)算。

圖6 T 型匹配電路圖

其中η 表示轉(zhuǎn)換效率，VOUT指負(fù)載RL兩端電壓，Pin表示輸入的射頻能量。

圖7 為匹配后的整流效率，在輸入功率為2.3 dBm 時(shí)，整流效率最高為71%。

圖7 整流效率圖

3 實(shí)物測(cè)試分析

單獨(dú)測(cè)試天線部分：用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線的反射系數(shù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如圖8 所示。從圖中可以看出：測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，實(shí)測(cè)圖在工作頻段內(nèi)有稍有偏差，存在偏差的主要原因是測(cè)試環(huán)境、SMA 街頭的焊接、天線加工的尺寸精度和介質(zhì)基板介電常數(shù)不均勻等因素。但實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果總體吻合良好，偏差在可接受范圍內(nèi)。圖9 為一體化整流天線實(shí)物圖，在經(jīng)過(guò)調(diào)試后，匹配電路中的L1=5.5 nH，L2=9 nH，C1=0.8 pF。

圖8 反射系數(shù)仿真實(shí)測(cè)對(duì)比圖

圖9 整流天線實(shí)物圖

整流天線系統(tǒng)測(cè)試圖如圖10 所示，射頻源發(fā)出一個(gè)2.4 GHz、輸入功率為-10 dBm～15 dBm 的信號(hào)，通過(guò)增益為13 dBi 的標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線發(fā)射信號(hào)，整流天線在距離發(fā)射天線0.3 m 處接收信號(hào)，在調(diào)整到整流天線最大輻射方向時(shí)，在10 dBm 時(shí)有最大輸出電壓為2.61 V，轉(zhuǎn)換效率為56.76%。圖11 為不同輸入功率下的轉(zhuǎn)換效率。

圖10 整流天線系統(tǒng)測(cè)試圖

圖11 轉(zhuǎn)換效率圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款地板開槽超寬帶天線，該天線采用側(cè)饋結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工制作容易、性能良好、易于微波電路集成等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)采用圓環(huán)型地板開槽的方式，使天線在寬帶有較好的阻抗帶寬。該天線在2.4 GHz時(shí)，有良好的方向性以及較高的增益。該天線在低頻(1～4 GHz)可用于環(huán)境的射頻能量收集，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，2.4 GHz 時(shí)最大轉(zhuǎn)換效率為56.76%，對(duì)應(yīng)的最大輸出直流電壓為2.61 V。在高頻(5～14 GHz)可用于稍遠(yuǎn)距離的能量傳輸。