【導讀】能量收集是給通信系統中包括天線(xiàn)在內的各種射頻/微波元器件供電的一種有效方法。通過(guò)為自主射頻標簽(RFID)系統和無(wú)線(xiàn)傳感器等類(lèi)似應用收集能量，就能開(kāi)發(fā)出無(wú)需額外電池的自我供電解決方案。為了展示這種可能性，本文設計了一種能量收集片狀天線(xiàn)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(xiàn)采用低成本的FR-4印刷電路板(PCB)材料制造。開(kāi)發(fā)的這種矩形片狀天線(xiàn)陣列工作在2.45GHz的工業(yè)、科學(xué)和醫療(ISM)頻段，在矩形片狀振子上設計了額外的凹槽以提高增益。這個(gè)天線(xiàn)設計中還包含了一個(gè)導通發(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(xiàn)傳感器和其它電子器件已經(jīng)開(kāi)始影響許多人的生活。這些傳感器可以檢測室內的光線(xiàn)明暗程度，然后在光線(xiàn)降低到設定亮度時(shí)自動(dòng)開(kāi)燈。這種智能系統不僅有助于改善人們的生活質(zhì)量，而且有利于節省能量和成本。這種對能量的智能使用可以應用于沒(méi)有電池的遙控器以及采用收集能量工作的移動(dòng)電話(huà)充電器。
研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出各種方法用于從外界提取環(huán)境能量，并將它轉換為電能供低功耗傳感器等應用使用。借助自我供電的無(wú)線(xiàn)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”電子設備。環(huán)境中存在的能量可以從各種源進(jìn)行復用，包括太陽(yáng)能、磁能、振動(dòng)和射頻/微波能。后者在開(kāi)放空間中可以免費獲得，并可以通過(guò)合適的接收天線(xiàn)捕獲到并整流成可用的直流電壓。
近年來(lái)，隨著(zhù)基于傳感器的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和其它應用數量的不斷增加，電池供電的使用得到了非?？焖俚脑鲩L(cháng)，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(xiàn)等能量捕獲天線(xiàn)可以從環(huán)境中捕獲能量，進(jìn)而替代電池。目前市場(chǎng)上有許多不同的片狀天線(xiàn)，包括蛇形線(xiàn)天線(xiàn)(MLA)、線(xiàn)性極化天線(xiàn)和圓形極化天線(xiàn)。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(xiàn)拓撲，以及能夠將射頻信號轉換成直流電壓以替代電池的電路。
為了最大化覆蓋率，大多數通信系統使用全向輻射圖案的天線(xiàn)。能量收集系統就是要靠捕獲其中一些可用的能量?？捎媚芰康臄盗渴呛艽蟮?，但只能少部分能被收集到，因為一些能量通過(guò)熱的形式散發(fā)了，或被其它材料所吸收。射頻能量收集系統由微波天線(xiàn)、預整流濾波器、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(lèi)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)現最優(yōu)的電力傳送，在天線(xiàn)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(guò)整流后，就用直流低通濾波器，通過(guò)衰減環(huán)境中存在的射頻信號中的高頻諧波，來(lái)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(xiàn)那里輻射出來(lái)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(xiàn)發(fā)射功率、天線(xiàn)接收功率、轉換效率和轉換電路分析。為了提高轉換效率，必須實(shí)現多種天線(xiàn)設計，包括天線(xiàn)陣列和圓形極化天線(xiàn)。寬帶天線(xiàn)可以從各種源接收相對高的射頻功率，而天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)。
計算機仿真技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的CSTMicrowave Studio套件2011版用于設計和仿真高增益能量收集天線(xiàn)，而Keysight Technologies公司開(kāi)發(fā)的高級設計系統(ADS)2011版用于設計和仿真整流電路。天線(xiàn)和整流電路在FR-4 PCB材料上制作，方便實(shí)際測量值和仿真結果的比較。圖2顯示了天線(xiàn)設計過(guò)程的流程。、
圖2：這個(gè)系統流程圖顯示了能量收集天線(xiàn)系統的設計過(guò)程。
圖3：這是能量收集天線(xiàn)的側視圖。
圖4：這些不同的視圖顯示了能量收集天線(xiàn)的(a)前視圖、(b)底視圖和(c)后視圖。
這種天線(xiàn)是為ISM頻段的應用設計的，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(xiàn)由底部的地平面、FR-4電路基板和微帶貼片天線(xiàn)之間的空氣間隙以及額外凹槽組成(圖4是天線(xiàn)的其他視圖)。貼片天線(xiàn)和地平面都是由銅組成的。天線(xiàn)由位于傳輸線(xiàn)中心的同軸饋電連接器進(jìn)行激勵。當工作在2.45GHz時(shí)，可以用以下公式計算微帶貼片天線(xiàn)的寬度和長(cháng)度：
其中：c=光速；f=工作頻率(2.45GHz)；εr=PCB基板的相對介電常數；εreff=PCB基板的有效相對介電常數。
為了達到良好的隔離效果，天線(xiàn)的相鄰振子應相隔至少目標頻率對應波長(cháng)的二分之一(λ/2)。我們分別在天線(xiàn)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(xiàn)不僅經(jīng)常被用作單振子元件，而且也被用作陣列——尤其是在需要創(chuàng )建單振子天線(xiàn)無(wú)法實(shí)現的圖案時(shí)。微帶陣列的饋電網(wǎng)絡(luò )可以用梯形傳輸線(xiàn)將100Ω天線(xiàn)貼片振子匹配到50Ω輸入端口或四分之一波長(cháng)阻抗轉換器來(lái)實(shí)現。
當前設計采用了錐形線(xiàn)和天線(xiàn)陣列，其中的天線(xiàn)陣列由位于最厚傳輸線(xiàn)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(xiàn)的阻抗是100Ω。
整流電路的設計基于的是對該電路的傳輸線(xiàn)計算。用于能量收集系統的基本整流器設計由一個(gè)二極管和一個(gè)電容組成。選擇這種簡(jiǎn)單設計的原因是盡量減小二極管損耗。為了實(shí)現快速開(kāi)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化的研究方法，用以確保天線(xiàn)工作在要求的諧振頻率(2.45GHz)。利用這種設計方法，可以調整貼片天線(xiàn)的長(cháng)度和寬度，以及傳輸線(xiàn)的凹槽和長(cháng)度。這些調整對反射損耗、增益和阻抗帶寬的影響是很顯著(zhù)的。初始設計是沒(méi)有額外凹槽的，天線(xiàn)工作在2.4973GHz，反射損耗是-12.178dB。小數帶寬計算值為2.96%，天線(xiàn)增益為13.35dB。
額外凹槽被引入天線(xiàn)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(xiàn)增益提高13.51dB。參數化分析是用固定設計參數做的，長(cháng)度和寬度Lf、Lb、Lp、Wp和Ls1參數除外。
以下值被應用于天線(xiàn)設計：Lp = 45mm, Lf = 25.5mm, Wp = 49mm。然后對設計進(jìn)行仿真，發(fā)現2.408GHz點(diǎn)的反射損耗提高到了-46.486dB。計算得到的阻抗帶寬是3.65%，增益是13.54dB，方向性是14.04dB。
然后利用參數化研究得出的值對天線(xiàn)性能進(jìn)行仿真，仿真發(fā)現具有額外凹槽并且Wp = 47 mm、Lp = 43 mm、Lf = 25.5 mm、Ls1 = 16 mm時(shí)的天線(xiàn)設計具有很高的增益。這種天線(xiàn)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14.08dB的高增益和14.18dB的方向性。
當只有Lp改變時(shí)(變到41mm)，增益將下降到13.79dB?？梢杂^(guān)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)結果表明，貼片天線(xiàn)長(cháng)度影響頻率。因此，為了確保在2.45GHz處的ISM頻段正常工作，Lp要設為43mm。當線(xiàn)路阻抗S1為61.18Ω時(shí)，2.446GHz的天線(xiàn)設計的阻抗匹配是59.499326Ω至8.460473Ω。
在進(jìn)行集成和再次測量之前，需要分開(kāi)來(lái)測量天線(xiàn)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(xiàn)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(guò)的能量收集天線(xiàn)的設計。
圖6：?jiǎn)渭壵髌麟娐泛吞炀€(xiàn)一起用來(lái)將射頻能量轉換為直流電壓。
天線(xiàn)陣列設計與2.45GHz點(diǎn)的單頻段功能一起工作，非常適合ISM頻段應用。圖7顯示了仿真和測量結果，其中x軸是頻率(GHz)，y軸是反射損耗幅度(dB)。仿真結果表明，最佳工作頻率為2.446GHz，此時(shí)的反射損耗是-22.938dB。測量結果表明，天線(xiàn)諧振的最佳點(diǎn)是2.4502GHz，此時(shí)的反射損耗是-18.4dB。測量結果似乎顯示95%的精度，幾乎與仿真結果有相同的值。通過(guò)引入凹槽以及企業(yè)饋電網(wǎng)絡(luò )方法，可以實(shí)現最優(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(xiàn)頻率。
天線(xiàn)帶寬等于同樣在3dB下降點(diǎn)的上限頻率減去下限頻率，見(jiàn)仿真和測量結果所示。圖8和圖9分別顯示了94.6MHz的仿真天線(xiàn)帶寬和95.8MHz的測量天線(xiàn)帶寬。測量結果稍好于仿真結果，但兩個(gè)值仍然非常接近。通過(guò)使用為貼片天線(xiàn)陣列中的每個(gè)輻射振子引入的雙槽結構以及饋電網(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：根據電腦仿真結果，天線(xiàn)帶寬是94.6MHz。
圖9：根據測量結果，天線(xiàn)帶寬稍微變寬了，為95.8MHz。
這種多層2×2天線(xiàn)陣列在每個(gè)輻射振子都有額外凹槽的條件下的目標增益都大于10dB，因此可以在收集環(huán)境射頻能量時(shí)獲得很好的結果。理論上講，天線(xiàn)增益取決于輸送到天線(xiàn)輸入端子的總功率。這樣，通過(guò)仿真(圖10)，為三維(3D)遠場(chǎng)視場(chǎng)實(shí)現了14.08dB的天線(xiàn)增益。圖11所示的仿真表明，這種天線(xiàn)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(xiàn)實(shí)現的增益。
圖11：這些圖顯示了能量收集天線(xiàn)的方向性。
每個(gè)接收天線(xiàn)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(xiàn)，從而優(yōu)化接收能量大小。能量收集系統的接收天線(xiàn)選擇的是3dB的任意最小增益，相當于半功率束寬度(HPBW)。增益和方向性的改進(jìn)是由設計中使用的多層電路結構實(shí)現的，其中的空氣間隙被置于FR-4基板和多槽微帶貼片天線(xiàn)之間。
圖12：這是用于能量收集天線(xiàn)的輻射圖案。
天線(xiàn)的輻射圖案也被仿真和測量。根據圖12(a)的仿真，天線(xiàn)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(jiàn)表)。如此窄的波束寬度拜天線(xiàn)用的薄FR-4基板材料所賜。天線(xiàn)主瓣幅度很重要，而旁瓣值必須減小，因為它來(lái)自于不想要的方向。
圖12(b)和(c)比較了開(kāi)放環(huán)境和測試室內的天線(xiàn)測量結果。在這兩種情況下，天線(xiàn)中的電流顯示，主輻射振子位于內邊沿和近探針饋電處。因此這種天線(xiàn)可以提供更具方向性的輻射圖案，必須非?？拷l(fā)射天線(xiàn)放置。
阻抗匹配甚至表面電流的流動(dòng)對這種天線(xiàn)來(lái)說(shuō)都很重要。理論上，穿過(guò)天線(xiàn)系統不同部分傳輸的電磁波可能遇到阻抗方面的差異。因此有必要通過(guò)匹配過(guò)程將天線(xiàn)的輸入阻抗轉換為與傳輸線(xiàn)相同的阻抗值，也因此在阻抗方面天線(xiàn)必須與整流電路集成在一起。沒(méi)有好的阻抗匹配，一些波的能量將被反射，整流電路將沒(méi)有足夠的能量轉換為直流電壓。
通常使用50Ω的輸入阻抗。這個(gè)天線(xiàn)設計中的阻抗匹配是59.49 - j8.46Ω，線(xiàn)路阻抗是61.18Ω，如圖13所示。這種阻抗匹配對50Ω輸入阻抗來(lái)說(shuō)是非常理想的；饋電位置要仔細定位，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(xiàn)及其整流器與50Ω系統阻抗進(jìn)行了仔細的阻抗匹配。
圖14：比較仿真結果和測量結果
這種ISM頻段能量收集天線(xiàn)顯示在仿真結果和測量結果之間有很好的一致性。由天線(xiàn)和整流電路組成的這種天線(xiàn)系統工作在2.4514GHz，測量到的輸出電壓是3.94Vdc。這種設計應該能夠很好地用于各種不需要電池的ISM頻段應用中。
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