崔 鵬，陳凱亞，廖 成

0 引 言

隨著科技的迅猛發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)電子產(chǎn)品的小型化已然成為一種發(fā)展趨勢(shì)，而傳統(tǒng)電池的尺寸和容量越發(fā)難以滿足電子產(chǎn)品的使用需要，有線充能的方式局限性太強(qiáng)。因此，小型化電子產(chǎn)品的無(wú)線輸能成為的研究熱點(diǎn)之一。接收整流天線作為微波無(wú)線輸能系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件之一，主要由接收天線和整流電路兩部分組成，作用是將接收到的微波能量轉(zhuǎn)換為輸出直流能量，供用戶使用，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)整流天線結(jié)構(gòu)

圖1 中，低通濾波器主要有3個(gè)作用：一是保證基頻順利通過(guò)，而其他頻率分量不通過(guò)；二是阻止整流二極管產(chǎn)生高次諧波；三是滿足濾波器與接收天線之間的良好匹配。然而，濾波器和接收天線間的損耗不可避免，且微帶濾波器必然會(huì)增加前端電路的尺寸和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，所以研究者們開(kāi)始致力于研究結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊且具有諧波抑制功能的天線，從而降低輸出損耗、設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度[1-3]。現(xiàn)在諧波抑制微帶天線的設(shè)計(jì)方法大多使用PBG結(jié)構(gòu)和DGS結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)[4]，文獻(xiàn)[5]通過(guò)在圓形縫隙天線中心挖圓形孔的方法抑制高次諧波，文獻(xiàn)[6]通過(guò)在微帶饋線45°和135°處開(kāi)V型鋸齒的方法有效抑制二次和三次諧波，成功縮小了天線尺寸，文獻(xiàn)[7]則設(shè)計(jì)了2個(gè)SIR結(jié)構(gòu)分別抑制2.45 GHz的二次和三次諧波，縮小了天線尺寸。圖2為具有諧波抑制天線的整流天線結(jié)構(gòu)。

圖2 具有諧波抑制天線的整流天線結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)要求諧波抑制天線同時(shí)具備接收天線和濾波器的功能，即天線在諧波頻率位置的回波損耗大于等于-3 dB。同時(shí)，考慮到整體系統(tǒng)的效率提升，該天線應(yīng)具有窄帶寬特性，以防止其他頻率分量被天線接收，導(dǎo)致天線因失配產(chǎn)生損耗而降低總體效率。同時(shí)，鑒于5.8 GHz相較2.45 GHz的特點(diǎn)，使其在能達(dá)到傳輸效率的同時(shí)具有尺寸小、成本低、易于搭載設(shè)備的特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)基于上述要求，結(jié)合SIR結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款5.8 GHz的接收天線。該天線通過(guò)引入SIR結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)在二次諧波位置回波損耗大于-3 dB，且?guī)拑H有120 MHz。

1 SIR基本結(jié)構(gòu)

SIR（階梯型阻抗諧振器）是利用不同特性阻抗的傳輸線實(shí)現(xiàn)諧振的一種結(jié)構(gòu)。寄生通帶作為微波濾波器特有的一種指標(biāo)，其結(jié)果是在設(shè)計(jì)通帶以外的某些頻率，通常是通帶中心頻率的整數(shù)倍處產(chǎn)生通帶。在濾波器設(shè)計(jì)中，使用非均勻線諧振器即SIR結(jié)構(gòu)作為濾波器，可以有效解決這些問(wèn)題。

SIR是由兩個(gè)以上具有不同特性阻抗的傳輸線組合而成的橫向電磁場(chǎng)或準(zhǔn)橫向電磁場(chǎng)模式的諧振器。圖3給出了采用帶狀線結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)橫向電磁場(chǎng)諧振器的典型例子。圖3（a）采用的是終端短路結(jié)構(gòu)；圖3（b）采用的是開(kāi)放端點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

圖3 典型SIR結(jié)構(gòu)

假設(shè)傳輸線開(kāi)路端和短路端之間的阻抗特性分別為z1、z2，等效電長(zhǎng)度為θ1、θ2，則定義阻抗比為：

可以通過(guò)改變阻抗比來(lái)改變寄生頻率，從而使基波的倍頻處不發(fā)生諧振。因此，SIR結(jié)構(gòu)在天線上的應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)始受到重視[8]。本次設(shè)計(jì)是基于SIR結(jié)構(gòu)在濾波器中針對(duì)寄生通帶問(wèn)題的良好表現(xiàn)，將阻抗匹配、饋線和天線貼片整體設(shè)計(jì)，以達(dá)到抑制二次諧波的效果。

2 天線設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果

2.1 天線設(shè)計(jì)及優(yōu)化

天線貼片設(shè)計(jì)在20 mm×26 mm×1.1 mm的矩形介質(zhì)基板上，基板材料Taconic TLX-8，介電常數(shù)2.55，損耗角正切為0.001 9，貼片選擇0.035 mm的銅片。天線正面結(jié)構(gòu)如圖4所示，背面采用全覆蓋的銅板作為接地板。

圖4 天線正面結(jié)構(gòu)

圖4中天線為本次設(shè)計(jì)的具有諧波抑制功能的微帶天線。此結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)50 Ω的匹配微帶線接上一個(gè)SIR結(jié)構(gòu)。連接天線的饋線寬度為1 mm，與天線構(gòu)成一個(gè)SIR結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一個(gè)濾波器。天線的長(zhǎng)度決定了其中心頻率為5.8 GHz。

本次設(shè)計(jì)中，天線的饋線嵌入深度p和天線饋電處開(kāi)槽寬度d是影響天線在諧振點(diǎn)性能的主要因素。因此，對(duì)嵌入深度和開(kāi)槽寬度對(duì)天線性能的影響進(jìn)行了深入探究。圖5給出了嵌入深度為3 mm、4 mm、5 mm時(shí)天線的S11參數(shù)圖。

圖5 嵌入深度p對(duì)天線S11的影響

從圖5可以得出，饋入深度對(duì)天線諧振點(diǎn)位置的影響微小，但對(duì)天線在諧振點(diǎn)的匹配效果影響極大。經(jīng)反復(fù)優(yōu)化，最終確定當(dāng)嵌入深度為4 mm即p=4時(shí)，天線在5.8 GHz處S11可達(dá)約-32.36 dB，且能夠抑制在后續(xù)10～11 GHz頻段處曲線的下降程度。

圖6給出了開(kāi)槽寬度為3 mm、4 mm、5 mm時(shí)天線的S11參數(shù)圖。

圖6 開(kāi)槽寬度對(duì)天線的影響

由圖6中的曲線對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨著開(kāi)槽寬度d的增加，天線的諧振點(diǎn)位置受影響同p一樣微小，而對(duì)于諧振點(diǎn)處的S11影響同樣明顯。經(jīng)優(yōu)化調(diào)試，確定在開(kāi)槽寬度d為4 mm時(shí)，綜合天線在5.8 GHz的S11參數(shù)和在后續(xù)頻段曲線變化，天線有最佳的表現(xiàn)。

圖5采用微帶形式饋電，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，矩形貼片邊長(zhǎng)16 mm，貼片寬度15.38 mm，饋線嵌入深度為4 mm，饋線寬1 mm，50Ω匹配微帶線寬3.12 mm，長(zhǎng)5.6 mm。相較于此基板下的普通5.8 GHz矩形貼片天線，其尺寸更小，性能更好。

表1 天線最終優(yōu)化尺寸參數(shù)

2.2 天線的仿真結(jié)果

天線優(yōu)化后的最終S11參數(shù)如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的具有諧波抑制的天線S11參數(shù)

圖7 給出了同材料設(shè)計(jì)的5.8 GHz矩形貼片天線和本次設(shè)計(jì)天線的對(duì)比。可以看出，該帶有SIR結(jié)構(gòu)的天線確實(shí)可以抑制二次諧波，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)接收天線和低通濾波器的性能合并。天線第一諧振點(diǎn)約為5.8 GHz，帶寬為120 MHz，天線在諧振點(diǎn)處S11為-32.36 dB，說(shuō)明此天線結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到了很好的匹配。相較傳統(tǒng)天線，該天線在6～10 GHz頻段內(nèi)，天線的S11曲線改善明顯，且在第一寄生諧振點(diǎn)位置11.6 GHz附近，其S11僅為-2.5 dB，成功抑制了二次諧波。圖8為天線在5.8 GHz處的XOZ、YOZ、3D方向圖。

從圖8（c）中可以看出，該接收天線的方向性系數(shù)為6.655 dBi。可見(jiàn)，天線的輻射性能和普通天線基本相同，在S參數(shù)上有效抑制了二次諧波，實(shí)現(xiàn)了低通濾波器和接收天線的性能合并。

圖8 5.8 GHz處天線的方向圖

3 結(jié) 語(yǔ)

在2.45 GHz的諧波抑制天線基礎(chǔ)上，對(duì)SIR結(jié)構(gòu)進(jìn)行探究，并成功應(yīng)用于5.8 GHz，設(shè)計(jì)出了具有諧波抑制功能的矩形貼片天線。該天線在5.8 GHz諧振處S11為-32.36 dB，帶寬僅為120 MHz，輻射效能和普通天線沒(méi)有差別，但在二次諧波處S11僅為-2.5 dB，有效抑制了整流電路中由整流電路產(chǎn)生的二次諧波，很好地實(shí)現(xiàn)了5.8 GHz下傳統(tǒng)整流系統(tǒng)中接收天線和低通濾波器部分性能的合并，從消除天線到濾波器、濾波器自身的損耗和提升天線自身效率兩部分出發(fā)，提高了整流效率。此外，該設(shè)計(jì)減小了天線的尺寸，進(jìn)一步減小了整流系統(tǒng)的尺寸，為后續(xù)小型高效率的整流系統(tǒng)和陣列設(shè)計(jì)提供了新思路。

[1] Radisic V,Qian Y,Itoh T.Broadband Power Amplifier Integrated with Slot Antenna and Novel Harmonic Tuning Structure[C].Microwave Symposium Digest,1998 IEEE MTT-S International,1998:1895-1898.

[2] Deal W R,Radisic V,Qian Y,et al.A High Efficiency Slot Antenna Push-pull Power Amplifier[C].Microwave Symposium Digest,1999 IEEE MTT-S International,1999:659-662.

[3] Radisic V,Qian Y,Itoh T.Novel Architectures for Highefficiency Amplifiers for Wireless Applications[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniqu es,1998,46(11):1901-1909.

[4] Horii Y,Tsutsumi M.Harmonic Control by Photonic Bandgap on Microstrip Patch Antenna[J].IEEE Microwave & Guided Wave Letters,1999,9(01):13-15.

[5] 蔣永祥,鄒傳云.具有諧波抑制功能的圓極化整流天線設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù),2015,48(09):1092-1095.JIANG Yong-xiang,ZOU Chuan-yun.Circular Polarization Rcctifying Antenna with Harmonic Suppression[J].Communications Technology,2015,48(09):1092-1095.

[6] 漆世鍇.微波輸能系統(tǒng)中的整流天線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].新鄉(xiāng):河南師范大學(xué),2013.QI Shi-kai.The Design and Realization of the Rectifier Antenna in Microwave Transmission System[D].Xinxiang:Henan Normal University,2013.

[7] Xiao S,Shao Z,Zhang Y,et al.Microstrip Antenna with Compact Coplanar Harmonic Suppression Structure[C].Antennas and Propagation Society International Symposium IEEE,2006:643-646.

[8] Guo J,Zhu X.An Improved Analytical Model for RF-DC Conversion Efficiency in Microwave Rectifiers[J].IEEE MTT-S International Microwave Symposium digest,IEEE MTT-S International Microwave Symposium,2012:1-3.