【導(dǎo)讀】能量收集是給通信系統(tǒng)中包括天線在內(nèi)的各種射頻/微波元器件供電的一種有效方法。通過為自主射頻標(biāo)簽(RFID)系統(tǒng)和無線傳感器等類似應(yīng)用收集能量，就能開發(fā)出無需額外電池的自我供電解決方案。為了展示這種可能性，本文設(shè)計(jì)了一種能量收集片狀天線陣列，可以用于從周邊能源捕獲盡可能多的射頻能量。
為了盡可能降低成本，天線采用低成本的FR-4印刷電路板(PCB)材料制造。開發(fā)的這種矩形片狀天線陣列工作在2.45GHz的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段，在矩形片狀振子上設(shè)計(jì)了額外的凹槽以提高增益。這個(gè)天線設(shè)計(jì)中還包含了一個(gè)導(dǎo)通發(fā)光二極管(LED)，用于指示捕獲到的電壓值在0.01Vdc至3.94Vdc間的能量。
采用“智能”技術(shù)的光線傳感器和其它電子器件已經(jīng)開始影響許多人的生活。這些傳感器可以檢測室內(nèi)的光線明暗程度，然后在光線降低到設(shè)定亮度時(shí)自動(dòng)開燈。這種智能系統(tǒng)不僅有助于改善人們的生活質(zhì)量，而且有利于節(jié)省能量和成本。這種對能量的智能使用可以應(yīng)用于沒有電池的遙控器以及采用收集能量工作的移動(dòng)電話充電器。
研究人員已經(jīng)開發(fā)出各種方法用于從外界提取環(huán)境能量，并將它轉(zhuǎn)換為電能供低功耗傳感器等應(yīng)用使用。借助自我供電的無線傳感器和自主能量，這種收集到的能量可以催生出許多新的“綠色”電子設(shè)備。環(huán)境中存在的能量可以從各種源進(jìn)行復(fù)用，包括太陽能、磁能、振動(dòng)和射頻/微波能。后者在開放空間中可以免費(fèi)獲得，并可以通過合適的接收天線捕獲到并整流成可用的直流電壓。
近年來，隨著基于傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)和其它應(yīng)用數(shù)量的不斷增加，電池供電的使用得到了非?？焖俚脑鲩L，但電池只能提供有限的壽命和固定的能源供給率。而諸如片狀天線等能量捕獲天線可以從環(huán)境中捕獲能量，進(jìn)而替代電池。目前市場上有許多不同的片狀天線，包括蛇形線天線(MLA)、線性極化天線和圓形極化天線。本文將討論這些不同的配置，以求找到適合能量收集的最佳天線拓?fù)?，以及能夠?qū)⑸漕l信號轉(zhuǎn)換成直流電壓以替代電池的電路。
為了最大化覆蓋率，大多數(shù)通信系統(tǒng)使用全向輻射圖案的天線。能量收集系統(tǒng)就是要靠捕獲其中一些可用的能量。可用能量的數(shù)量是很大的，但只能少部分能被收集到，因?yàn)橐恍┠芰客ㄟ^熱的形式散發(fā)了，或被其它材料所吸收。射頻能量收集系統(tǒng)由微波天線、預(yù)整流濾波器、整流電路以及將輸入電磁(EM)波整流成直流電流的直流低通濾波器(LPF)組成。整流電路可以是多種類型中的任意一種——比如全波橋式整流器或采用單個(gè)分流器的全波整流器。
為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的電力傳送，在天線和整流器之間使用了低通濾波器(LPF)進(jìn)行阻抗匹配。一旦信號經(jīng)過整流后，就用直流低通濾波器，通過衰減環(huán)境中存在的射頻信號中的高頻諧波，來平滑輸出直流電壓和電流。在將能量傳送給整流二極管之前盡量收集最大的功率，然后抑制由二極管產(chǎn)生、并從天線那里輻射出來作為損失功率的諧波。
有許多因素影響有效的能量收集，包括天線發(fā)射功率、天線接收功率、轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換電路分析。為了提高轉(zhuǎn)換效率，必須實(shí)現(xiàn)多種天線設(shè)計(jì)，包括天線陣列和圓形極化天線。寬帶天線可以從各種源接收相對高的射頻功率，而天線陣列可以增加提供給二極管進(jìn)行整流的入射功率。圖1顯示了硅整流二極管天線的框圖。
圖1：這張框圖顯示了在ISM頻段使用的硅整流二極管天線。
計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)公司開發(fā)的CSTMicrowave Studio套件2011版用于設(shè)計(jì)和仿真高增益能量收集天線，而Keysight Technologies公司開發(fā)的高級設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)2011版用于設(shè)計(jì)和仿真整流電路。天線和整流電路在FR-4 PCB材料上制作，方便實(shí)際測量值和仿真結(jié)果的比較。圖2顯示了天線設(shè)計(jì)過程的流程。、
圖2：這個(gè)系統(tǒng)流程圖顯示了能量收集天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。
圖3：這是能量收集天線的側(cè)視圖。
圖4：這些不同的視圖顯示了能量收集天線的(a)前視圖、(b)底視圖和(c)后視圖。
這種天線是為ISM頻段的應(yīng)用設(shè)計(jì)的，并在低成本的電路基板材料上用光刻圖案和蝕刻技術(shù)進(jìn)行制造。如圖3所示，天線由底部的地平面、FR-4電路基板和微帶貼片天線之間的空氣間隙以及額外凹槽組成(圖4是天線的其他視圖)。貼片天線和地平面都是由銅組成的。天線由位于傳輸線中心的同軸饋電連接器進(jìn)行激勵(lì)。當(dāng)工作在2.45GHz時(shí)，可以用以下公式計(jì)算微帶貼片天線的寬度和長度：
其中：c=光速；f=工作頻率(2.45GHz)；εr=PCB基板的相對介電常數(shù)；εreff=PCB基板的有效相對介電常數(shù)。
為了達(dá)到良好的隔離效果，天線的相鄰振子應(yīng)相隔至少目標(biāo)頻率對應(yīng)波長的二分之一(λ/2)。我們分別在天線振子間距為5.8cm(0.4737λ)、6.1cm(0.4982λ)和6.5cm(0.5310λ)時(shí)做了隔離性能測試，最后發(fā)現(xiàn)間距為6.1cm時(shí)可以在優(yōu)化后提供最佳的性能。
微帶天線不僅經(jīng)常被用作單振子元件，而且也被用作陣列——尤其是在需要?jiǎng)?chuàng)建單振子天線無法實(shí)現(xiàn)的圖案時(shí)。微帶陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)可以用梯形傳輸線將100Ω天線貼片振子匹配到50Ω輸入端口或四分之一波長阻抗轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)前設(shè)計(jì)采用了錐形線和天線陣列，其中的天線陣列由位于最厚傳輸線中間的探針以SMA兼容的50Ω阻抗饋電。對于Z0 = 50 Ω的特征阻抗，分到兩條饋電線的阻抗是100Ω。
整流電路的設(shè)計(jì)基于的是對該電路的傳輸線計(jì)算。用于能量收集系統(tǒng)的基本整流器設(shè)計(jì)由一個(gè)二極管和一個(gè)電容組成。選擇這種簡單設(shè)計(jì)的原因是盡量減小二極管損耗。為了實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)速度和低壓降的目的，本文選擇了Keysight公司的型號為HSMS-286B二極管。
采樣仿真
這里采用了一種參數(shù)化的研究方法，用以確保天線工作在要求的諧振頻率(2.45GHz)。利用這種設(shè)計(jì)方法，可以調(diào)整貼片天線的長度和寬度，以及傳輸線的凹槽和長度。這些調(diào)整對反射損耗、增益和阻抗帶寬的影響是很顯著的。初始設(shè)計(jì)是沒有額外凹槽的，天線工作在2.4973GHz，反射損耗是-12.178dB。小數(shù)帶寬計(jì)算值為2.96%，天線增益為13.35dB。
額外凹槽被引入天線陣列的每個(gè)單振子用于提高性能。這樣，額外凹槽可以將天線增益提高13.51dB。參數(shù)化分析是用固定設(shè)計(jì)參數(shù)做的，長度和寬度Lf、Lb、Lp、Wp和Ls1參數(shù)除外。
以下值被應(yīng)用于天線設(shè)計(jì)：Lp = 45mm, Lf = 25.5mm, Wp = 49mm。然后對設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)2.408GHz點(diǎn)的反射損耗提高到了-46.486dB。計(jì)算得到的阻抗帶寬是3.65%，增益是13.54dB，方向性是14.04dB。
然后利用參數(shù)化研究得出的值對天線性能進(jìn)行仿真，仿真發(fā)現(xiàn)具有額外凹槽并且Wp = 47 mm、Lp = 43 mm、Lf = 25.5 mm、Ls1 = 16 mm時(shí)的天線設(shè)計(jì)具有很高的增益。這種天線工作在2.446GHz，具有-22.938dB的反射損耗和99.4MHz(3.87%)的阻抗帶寬。同時(shí)它能實(shí)現(xiàn)14.08dB的高增益和14.18dB的方向性。
當(dāng)只有Lp改變時(shí)(變到41mm)，增益將下降到13.79dB。可以觀察到一些頻率漂移：漂移到了2.486MHz，反射損耗變成了-15.931dB。這個(gè)結(jié)果表明，貼片天線長度影響頻率。因此，為了確保在2.45GHz處的ISM頻段正常工作，Lp要設(shè)為43mm。當(dāng)線路阻抗S1為61.18Ω時(shí)，2.446GHz的天線設(shè)計(jì)的阻抗匹配是59.499326Ω至8.460473Ω。
在進(jìn)行集成和再次測量之前，需要分開來測量天線和整流電流。圖5和圖6顯示了這種集成之前和之后的整流電路輸出電壓測量值。測量的目的是確定天線陣列的反射損耗、輻射圖案、增益和接收功率。
圖5：這是制造過的能量收集天線的設(shè)計(jì)。
圖6：單級整流器電路和天線一起用來將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流電壓。
天線陣列設(shè)計(jì)與2.45GHz點(diǎn)的單頻段功能一起工作，非常適合ISM頻段應(yīng)用。圖7顯示了仿真和測量結(jié)果，其中x軸是頻率(GHz)，y軸是反射損耗幅度(dB)。仿真結(jié)果表明，最佳工作頻率為2.446GHz，此時(shí)的反射損耗是-22.938dB。測量結(jié)果表明，天線諧振的最佳點(diǎn)是2.4502GHz，此時(shí)的反射損耗是-18.4dB。測量結(jié)果似乎顯示95%的精度，幾乎與仿真結(jié)果有相同的值。通過引入凹槽以及企業(yè)饋電網(wǎng)絡(luò)方法，可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的反射損耗。
圖7：這些仿真和測量展示了在反射損耗性能方面最好的天線頻率。
天線帶寬等于同樣在3dB下降點(diǎn)的上限頻率減去下限頻率，見仿真和測量結(jié)果所示。圖8和圖9分別顯示了94.6MHz的仿真天線帶寬和95.8MHz的測量天線帶寬。測量結(jié)果稍好于仿真結(jié)果，但兩個(gè)值仍然非常接近。通過使用為貼片天線陣列中的每個(gè)輻射振子引入的雙槽結(jié)構(gòu)以及饋電網(wǎng)絡(luò)安排中的饋電位置，這種帶寬還可以進(jìn)一步增加。
圖8：根據(jù)電腦仿真結(jié)果，天線帶寬是94.6MHz。
圖9：根據(jù)測量結(jié)果，天線帶寬稍微變寬了，為95.8MHz。
這種多層2×2天線陣列在每個(gè)輻射振子都有額外凹槽的條件下的目標(biāo)增益都大于10dB，因此可以在收集環(huán)境射頻能量時(shí)獲得很好的結(jié)果。理論上講，天線增益取決于輸送到天線輸入端子的總功率。這樣，通過仿真(圖10)，為三維(3D)遠(yuǎn)場視場實(shí)現(xiàn)了14.08dB的天線增益。圖11所示的仿真表明，這種天線可以產(chǎn)生14.18dBi的高方向性。
圖10：這些圖顯示了為能量收集天線實(shí)現(xiàn)的增益。
圖11：這些圖顯示了能量收集天線的方向性。
每個(gè)接收天線振子的方向性非常重要，其中每個(gè)振子都必須有指向，以便最大增益波瓣被指向發(fā)射天線，從而優(yōu)化接收能量大小。能量收集系統(tǒng)的接收天線選擇的是3dB的任意最小增益，相當(dāng)于半功率束寬度(HPBW)。增益和方向性的改進(jìn)是由設(shè)計(jì)中使用的多層電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，其中的空氣間隙被置于FR-4基板和多槽微帶貼片天線之間。
圖12：這是用于能量收集天線的輻射圖案。
天線的輻射圖案也被仿真和測量。根據(jù)圖12(a)的仿真，天線以方向性的圖案輻射/接收射頻能量，這種圖案在某些方向上的輻射效率比其它圖案高。HPBW(3dB處)是32度(見表)。如此窄的波束寬度拜天線用的薄FR-4基板材料所賜。天線主瓣幅度很重要，而旁瓣值必須減小，因?yàn)樗鼇碜杂诓幌胍姆较颉?/div>
圖12(b)和(c)比較了開放環(huán)境和測試室內(nèi)的天線測量結(jié)果。在這兩種情況下，天線中的電流顯示，主輻射振子位于內(nèi)邊沿和近探針饋電處。因此這種天線可以提供更具方向性的輻射圖案，必須非常靠近發(fā)射天線放置。
阻抗匹配甚至表面電流的流動(dòng)對這種天線來說都很重要。理論上，穿過天線系統(tǒng)不同部分傳輸?shù)碾姶挪赡苡龅阶杩狗矫娴牟町?。因此有必要通過匹配過程將天線的輸入阻抗轉(zhuǎn)換為與傳輸線相同的阻抗值，也因此在阻抗方面天線必須與整流電路集成在一起。沒有好的阻抗匹配，一些波的能量將被反射，整流電路將沒有足夠的能量轉(zhuǎn)換為直流電壓。
通常使用50Ω的輸入阻抗。這個(gè)天線設(shè)計(jì)中的阻抗匹配是59.49 - j8.46Ω，線路阻抗是61.18Ω，如圖13所示。這種阻抗匹配對50Ω輸入阻抗來說是非常理想的；饋電位置要仔細(xì)定位，以取得好的阻抗匹配性能和最低可能的反射損耗。
圖13：天線及其整流器與50Ω系統(tǒng)阻抗進(jìn)行了仔細(xì)的阻抗匹配。
圖14：比較仿真結(jié)果和測量結(jié)果
這種ISM頻段能量收集天線顯示在仿真結(jié)果和測量結(jié)果之間有很好的一致性。由天線和整流電路組成的這種天線系統(tǒng)工作在2.4514GHz，測量到的輸出電壓是3.94Vdc。這種設(shè)計(jì)應(yīng)該能夠很好地用于各種不需要電池的ISM頻段應(yīng)用中。
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