藺 煒，理查德·齊奧爾科夫斯基

(悉尼科技大學 全球大數據技術中心，澳大利亞新南威爾士州 2007)

0 引言

隨著無線物聯網(Internet-of-Things)系統(tǒng)的廣泛應用以及下一代無線通信技術(5G)的快速發(fā)展，萬物互聯將成為無線物聯網發(fā)展的趨勢。在不久的將來，無線設備之間的物物聯接將成為實現智慧城市，智慧家庭，智能交通，數字醫(yī)療，數字農業(yè)等等可持續(xù)發(fā)展數字化社會的基石[1]。目前，無線物聯網終端設備的數量正在快速增長，并且其增長的速度正在逐年加快。遠場無線能量傳輸將成為未來物聯網中革命性的技術，取代基于傳統(tǒng)電池的現有物聯網設備供電技術。無線能量傳輸技術的使用可以大大延長物聯網設備的壽命，避免更換電池的人工干預，尤其適用于嵌入式的物聯網傳感器設備中。整流天線是遠場無線能量傳輸中的關鍵設備，其功能是吸收電磁波并將其無線能量轉化成直流電給設備供電。物聯網應用要求整流天線具有結構緊湊，轉化效率高，電磁波吸收范圍廣等特點。雖然到目前為止，已有很多整流天線的設計被報道[2-8]，設計同時實現以上特點的整流天線具有很大挑戰(zhàn)。本文創(chuàng)新性地將電小尺寸惠更斯天線[9-12]與高效率的整流電路無縫結合，同時實現了結構緊湊，高效率，電磁波吸收范圍廣的電小惠更斯整流天線。非常適合用于未來無線物聯網系統(tǒng)中。本文內容結構如下：第一部分將介紹一款線極化的電小惠更斯整流天線。第二部分，在基于線極化惠更斯整流天線的基礎上，設計了圓極化的惠更斯整流天線，并實現了最大的電磁波轉化效率。第三部分，介紹了雙功能的惠更斯通信天線與整流天線，同時實現通信與無線能量傳輸的功能。最后，是本文的總結。

1 線極化電小尺寸惠更斯整流天線

1.1 線極化電小尺寸惠更斯天線設計

本章介紹一款線極化電小尺寸惠更斯整流天線設計。如圖1所示，該設計思路是將兩個由超材料啟發(fā)的電小輻射單元，例如埃及斧天線(EAD)與電容加載環(huán)天線(CLL)結合，實現定向的心形惠更斯輻射方向圖。兩個電小輻射單元單獨激勵時候均產生類似偶極子的全向輻射方向圖。若將二者有機結合并同時激勵，可形成一對正交放置的電磁偶極子。當二者之間相位關系滿足同向條件時，惠更斯輻射方向圖便可以形成。

圖1 電小尺寸線極化惠更斯天線設計思路Fig.1 Design concept of the electrically small linearly polarized Huygens antenna

該天線可由標準的印制電路板工藝實現，這一對電磁偶極子可由三塊圓形的印制電路板構成。在此設計中，選擇了RogersTM5880型號的高頻電路板，其介電常數是2.2，損耗角正切是0.0009。頂層跟下層的電路板厚度為0.787mm，中間的電路板厚度為0.508mm。在此設計中，埃及斧(EAD)輻射單元印制在中間的電路板上。電容耦合環(huán)輻射單元印制在上下兩層電路板上，并且由兩個金屬柱聯通。激勵短偶極子印制在下層介質板的底部。從回波損耗曲線可以看到，該天線諧振在915MHz頻點上，增益為3.8dBi。其輻射方向圖為心形的惠更斯方向圖，具有波束寬度寬，對稱性好等特點。

1.2 緊湊高效率整流電路設計

在整流天線設計中，整流電路具有重要的作用。本章介紹一款結構緊湊高效率的整流電路，可以與電小惠更斯天線無縫連接。此整流電路模型如圖2所示，由肖特基二極管跟若干電容，電感，電阻構成。兩個肖特基二極管組成全波整流電路，電感L跟電容C1，C2組成輸入阻抗匹配電路，電容C3去除輸出高次交流雜波，電阻RL是負載電阻。該整流電路結構十分緊湊，長度僅為7.3mm。通過選擇合適的匹配電感跟負載電阻的值，可以實現良好的阻抗匹配。

圖2 緊湊高效率整流天線設計與測試結果Fig.2 Design and measurement of the compact and highly efficient rectifier circuit

1.3 線極化電小尺寸惠更斯整流天線的系統(tǒng)設計與測試

本章將電小尺寸惠更斯天線跟高效率整流電路結合，實現了線極化電小尺寸惠更斯整流天線，如圖3所示。

圖3 線極化電小尺寸惠更斯整流天線的系統(tǒng)設計與測試Fig.3 Systematic design and measurement of the linearly polarized electrically small Huygens rectenna

整流電路與惠更斯天線的端口無縫結合，整體整流天線結構十分緊湊。測試系統(tǒng)在微波暗室中搭建，包含作為電磁信號輻射源的喇叭天線，功率放大器，信號發(fā)生器，直流電源，萬用表以及若干線纜。整流天線放置于喇叭天線的遠場區(qū)域，通過計算傳輸路徑的損耗，可以得到整流天線輸入端的信號強度。在測試過程中，通過調節(jié)惠更斯天線的激勵偶極子的長度，實現感性的輸入阻抗，從而無需電路中的有損耗的匹配電感，提高整流天線的轉化效率。

圖4是該整流天線的測試結果，顯示輸出直流電壓跟交流直流轉化效率隨接受功率的關系?？梢钥闯?，該整流天線在輸入功率達到9dBm的時候輸出轉化效率達到最大值88.9%。在有損耗的匹配電感的電路中，這個測試效率值為80.3%?？梢娫谡麟娐分须姼械膿p耗還是十分可觀。通過仿真不帶匹配電感的整流電路，可以得到同樣的結論。由于該惠更斯天線獨特的阻抗特性，在不加匹配電感的情況下可以與整流電路匹配良好，該整流天線可以達到其接近90%的最大轉化效率。

圖4 整流天線測試結果Fig.4 Measurement results of the linearly polarized electrically small Huygens rectenna

2 圓極化電小尺寸惠更斯整流天線

2.1 圓極化電小尺寸惠更斯天線設計

前一章介紹了線極化的電小尺寸的惠更斯整流天線設計，線極化系統(tǒng)要求電磁信號跟接收整流天線的極化方向保持一致。然而，在整流天線不斷移動的應用環(huán)境中，線極化系統(tǒng)會產生嚴重極化失配的問題，圓極化系統(tǒng)可以很好解決極化失配的問題。本章將介紹一款圓極化的電小尺寸惠更斯整流天線。

一組正交放置的電磁偶極子可以產生線極化的惠更斯輻射方向圖，兩組相互正交放置的電磁偶極子通過90度相位差的激勵，便可以產生圓極化的惠更斯輻射方向圖。如圖5所示，十字結構的埃及斧(EAD)跟電容耦合環(huán)(CLL)輻射單元可以產生兩組相互正交的電磁偶極子。為了實現90度相位差的激勵，可使用延遲環(huán)的激勵結構。該結構不但可以實現90度的相位差獲得圓極化輻射，而且呈現感性的輸入阻抗，可以直接與容性的整流電路良好匹配，達到最大的交流信號能量轉化效率。

2.2 圓極化電小尺寸惠更斯整流天線系統(tǒng)設計與測試

與線極化整流天線不同的是，圓極化整流天線的整流電路不能與激勵單元印制在同一層介質板上，圓極化的設計需要一小塊額外的介質板與延遲環(huán)激勵單元垂直放置，如圖6所示。整體結構依然緊湊，整流電路與惠更斯天線完美結合。通過測試可以看出，在特定頻點，904.5 MHz，在旋轉一周的情況下，整流天線的輸入電壓保持穩(wěn)定，驗證了系統(tǒng)的圓極化特性。同時，由于避免了有損耗的匹配電感，該整流天線還達到了最大可實現的交流直流信號轉化效率。

圖5 圓極化電小尺寸惠更斯天線設計Fig.5 Design of the circularly polarized electrically small Huygens antenna

圖6 圓極化電小尺寸惠更斯整流天線測試與結果Fig.6 Measured results of the circularly polarized electrically small Huygens rectenna

3 雙功能電小尺寸惠更斯通信天線與整流天線系統(tǒng)

3.1 雙功能系統(tǒng)設計

在物聯網應用中，不僅僅需要無線能量傳輸功能，數據通信也是必須可少的功能。然后，如果在緊湊的空間內同時實現無線能量傳輸以及通信天線兩種功能具有很大挑戰(zhàn)。本章將介紹一種雙功能電小尺寸惠更斯通信天線與整流天線系統(tǒng)，滿足物聯網應用的需求。如圖7所示，其思路是設計兩個正交的線極化惠更斯天線系統(tǒng)，一個作為通信天線，一個作為整流天線。由于其正交性，兩個端口之間可以實現完美隔離，隔離度大于30dB。此設計的關鍵是整流電路與天線饋線的完美結合，二者印刷在一小塊印制電路板上，兩個端口互不干擾，垂直于天線單元。

圖7 雙功能電小天線與整流天線系統(tǒng)設計思路Fig.7 Design concept of the dual-functional electrically small antenna and rectenna system

3.2 雙功能系統(tǒng)測試

圖8顯示了該雙功能系統(tǒng)的測試環(huán)境與測試結果。該系統(tǒng)的天線模式的方向圖由多探頭的近場測試系統(tǒng)測試，實現了心形惠更斯的輻射方向圖。測試頻率僅僅比仿真頻率略微偏移。在無線能量傳輸模式中，該整流天線同樣實現了感性阻抗，達到了最大可實現的交直流轉化效率。由于兩個功能之間的完美正交性，兩個功能互補影響。

圖8 雙功能天線測試結果Fig.8 Measured results of the dual-functional antenna and rectenna system

4 結論

本文介紹了三款電小尺寸惠更斯天線與整流天線系統(tǒng)。實現了結構緊湊，高效率，多功能的特點，其性能與傳統(tǒng)整流天線相比較得到了大幅提升。電磁偶極子單元在緊湊的空間內得到了完美的結合。實驗結果很好地驗證了仿真設計思路，體現了該類設計的性能優(yōu)勢。本文設計十分適合用于無線物聯網設備中，具有廣泛的應用前景。