薛 亮，白 雪，徐雷鈞

(江蘇大學 電氣信息工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

無線通信技術(shù)日新月異，已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊粋€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。通過射頻能量收集技術(shù)，這些信號可以為一些低功耗設(shè)備供電。因此，射頻能量收集被認為是一種越來越重要的技術(shù)[1]。射頻能量收集的原理是通過天線接收空間無線電磁波，對無線電磁波能量進行整流，轉(zhuǎn)換成直流能量儲藏在大電容中，從而實現(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，能夠覆蓋多頻率范圍的寬頻天線成為人們的研究熱點[5]。

文獻[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[7]通過給天線開槽，實現(xiàn)寬帶；文獻[8]通過增加介質(zhì)層數(shù)，實現(xiàn)寬帶；文獻[9]則采用陣列天線實現(xiàn)寬頻，但結(jié)構(gòu)復雜，占用面積大，設(shè)計難度增加。文獻[10]中頻寬為1.7 GHz，整流電路效率僅為8%，而文獻[11]中，頻寬0.3 GHz，整流效率卻提高到了15%。文獻[12]設(shè)計了一種改進型雙槽天線，帶寬為0.866～1.41 GHz 和1.7～3 GHz。文獻[13]設(shè)計了一種新型三分支整流電路，最大整流效率為61.7%。文獻[14]設(shè)計了一種雙頻段帶通LC 實現(xiàn)雙頻化。文獻[15]設(shè)計了一種新型三分支整流電路，最大整流效率為61.7%。因此，需要從多個窄頻帶做整流電路，而不是從整個寬頻帶。本文設(shè)計了一款能夠覆蓋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S11＜-10 dB，在最大輻射方向增益可達6.26 dBi。天線在整個工作頻段內(nèi)特性穩(wěn)定，在寬帶范圍內(nèi)可進行能量收集。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

本文設(shè)計的天線結(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。天線的背面通過開圓環(huán)槽的方式，在輻射貼片上激勵出更大的電流，增大輻射。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

最終設(shè)計的天線整體尺寸為50 mm×50 mm×1.6 mm，經(jīng)過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天線性能的影響，圖3 給出了天線圓形貼片在2.4 GHz 時的表面電流分布圖。通過對開槽前后電流分布以及大小對比分析：在2.4 GHz 時，開槽對電流分布影響較小，開槽的主要影響為激勵出更大的表面電流。這說明，開槽之前天線的信號吸收效率低，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。

針對射頻能量收集天線來說，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，更好地滿足實際需求。

圖4 開槽天線增益圖

2 整流電路仿真設(shè)計

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)計目標是在一定的功率和負載下獲得最大的轉(zhuǎn)換效率。肖特基二極管由于較低的導通電壓、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 二倍壓整流電路拓撲圖

假設(shè)輸入射頻信號為Vin，該信號在負半周時，D1 進行整流，能量儲存在C1中，正半周時，D2 進行整流，能量儲存在C2中，在下個周期開始時，電容C1中儲存的能量會傳輸?shù)紺2中，給負載RL供電。輸出電壓可用式(1)表示。其中Vout為負載兩端電壓，VD為二極管正向?qū)妷?。使用過多的整流二極管，會導致整流效率降低。

圖5 中C2起到濾波作用，確保負載上只有直流信號通過。使用ADS 仿真軟件對二極管進行諧波平衡仿真，確定整流電路的最佳負載以及輸入阻抗。最終確定負載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。利用史密斯圓圖進行匹配后，可通過式(2)進行RF-DC 效率的計算。

圖6 T 型匹配電路圖

其中η 表示轉(zhuǎn)換效率，VOUT指負載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，整流效率最高為71%。

圖7 整流效率圖

3 實物測試分析

單獨測試天線部分：用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量天線的反射系數(shù)與仿真結(jié)果進行對比如圖8 所示。從圖中可以看出：測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，實測圖在工作頻段內(nèi)有稍有偏差，存在偏差的主要原因是測試環(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。但實測結(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物圖，在經(jīng)過調(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)仿真實測對比圖

圖9 整流天線實物圖

整流天線系統(tǒng)測試圖如圖10 所示，射頻源發(fā)出一個2.4 GHz、輸入功率為-10 dBm～15 dBm 的信號，通過增益為13 dBi 的標準喇叭天線發(fā)射信號，整流天線在距離發(fā)射天線0.3 m 處接收信號，在調(diào)整到整流天線最大輻射方向時，在10 dBm 時有最大輸出電壓為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)測試圖

圖11 轉(zhuǎn)換效率圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計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)簡單、加工制作容易、性能良好、易于微波電路集成等優(yōu)點。通過采用圓環(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，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，在實驗室環(huán)境下，2.4 GHz 時最大轉(zhuǎn)換效率為56.76%，對應(yīng)的最大輸出直流電壓為2.61 V。在高頻(5～14 GHz)可用于稍遠距離的能量傳輸。