寬帶圓極化整流天線的研究與設計

郝宏剛 倪星瑞 龔見國 黃文 陳海雷 杜世淼

(重慶郵電大學光電工程學院,重慶 400065)

寬帶圓極化整流天線的研究與設計

郝宏剛 倪星瑞 龔見國 黃文 陳海雷 杜世淼

(重慶郵電大學光電工程學院,重慶 400065)

針對空間微弱射頻能量收集,提出了一種寬帶圓極化整流天線,其主要由射頻能量接收天線和多頻整流電路構成. 為了獲得寬頻帶特性,接收天線的輻射貼片采用對數周期交叉偶極子. 同時,兩對交叉偶極子均由環形的90°相位延遲線連接,且相互正交,從而實現天線的圓極化特性. 多頻整流電路由兩個單階電壓倍壓整流電路并聯而成,為了提高整流電路的性能和效率,引入了具有兩個枝節的新型阻抗匹配電路. 仿真結果表明:接收天線的阻抗帶寬和3 dB軸比帶寬分別為1 100 MHz和350 MHz;多頻整流電路的功率靈敏度達到-35 dBm,最大RF-DC整體轉換效率可達76.5%. 在輻射強度為6.02 μT,負載電阻為700 Ω時,測得整流天線負載端的輸出電壓約為139 mV,因此該整流天線適用于低功率射頻能量收集應用.

射頻能量收集;整流天線;對數周期天線;多頻整流電路;轉換效率

引 言

近年來,隨著醫療保健、智能交通管理和環境監控等低功耗無線傳感器網絡的應用需求不斷增加,如何為這些低功耗電子設備持續供能已經成為當前能源研究的熱點問題. 目前,電池作為這類電子產品的主要能量來源,其容量和使用壽命非常有限. 并且,對于一些處在惡劣環境中的無線傳感設備,人力更換電池極為不便而且風險極大. 另外,廢棄電池會嚴重污染環境. 因此,針對空間微弱射頻能量的收集成為當前非常熱門的研究課題[1-3]

整流天線作為射頻能量收集系統的關鍵部分,其主要功能是將空間中的射頻功率轉換為可用的直流功率,最終為一些低功耗無線傳感設備提供能量. 近年來,國內外對于整流天線的研究取得了很大進展,一些整流天線已經實現了相當高的轉換效率[4-6]. 然而,這些研究主要集中在單個較窄的頻帶,并且需要相對較高的輸入功率.

為了充分利用環境中的射頻信號,學者提出了全極化整流天線[7-9]、雙頻整流天線[8-9]、陣列整流天線[10]、多頻整流天線[11]和寬帶整流天線[12-13]等整流天線. 但是,這些整流天線的結構復雜,尺寸較大. 圓極化天線在現代無線通信中具有很多優勢,如圓極化天線特有的極化分解特性可減少收發天線間的極化失配. 同時,它不需要將收發天線的位置保持嚴格的對準,從而可以提高天線方向約束的靈活性. 文獻[14]采用寬帶圓極化天線實現了多頻整流,其在多頻輸入情況下的最大RF-DC整體轉換效率為67%.

為了滿足當前整流天線在寬頻帶、小型化等方面的應用需求,本文提出了一種能夠覆蓋GSM1800/4G、UMTS/3G與Wi-Fi三個頻段的寬帶圓極化整流天線. 其接收天線的阻抗帶寬為1 100 MHz,3 dB軸比帶寬為350 MHz,面積為65.0 mm×65.0 mm,多頻整流電路實現了76.5%的最大轉換效率,測得整流天線負載端的輸出電壓約為139 mV. 該整流天線結構簡單、尺寸較小,具有較高的功率靈敏度,適用于低輸入功率射頻能量收集應用.

1 寬帶圓極化能量接收天線設計

本文提出了一款基于對數周期結構的寬帶圓極化射頻能量接收天線,其結構模型如圖1所示.介質基板的尺寸為65.0 mm×65.0 mm×1.0 mm,材料為FR4環氧玻璃布層壓板,相對介電常數為4.4,損耗正切為0.02.

(a) 正面 (b) 背面

(c) 側面
圖1 寬帶圓極化對數周期天線

天線的輻射貼片為兩對相互正交的梯形片齒結構對數周期交叉偶極子,分別位于介質基板的正面和背面,采用此種結構可以獲得很好的寬頻帶特性. 根據對數周期天線理論,當天線的電性能保持不變時,頻率需滿足

(1)

式中:τ為比例系數,也稱為比例因子;n為對稱振子的序列編號,從離開饋電點最遠的振子,即最長的振子算起;fn為第n個振子的工作頻率. 對式(1)取對數得

(2)

式(2)表明,只有當天線工作頻率的對數為周期函數(周期為ln(1/τ))時,其電性能才保持不變. 本文提出的對數周期天線工作在1.85 GHz、2.15 GHz和2.45 GHz三個頻段,因此可以由式(2)計算出比例因子τ. 根據微帶輻射貼片尺寸估算,可以得到梯形片齒結構對數周期交叉偶極子的大致尺寸,然后由間隔因子σ來確定相鄰振子間的距離,即

(3)

式中:dn為相鄰兩振子間的距離;Ln為兩振子中較長振子的長度. 最終確定梯形片齒輻射貼片的個數為24. 另外,在距輻射貼片最外側邊緣一定距離處加載L形貼片,通過耦合的方式,可以有效地擴展低頻段的阻抗帶寬. 適當調整L形貼片與梯形輻射貼片之間的間距g,可以在GSM1800/4G頻段處獲得較寬的阻抗帶寬.

天線采用50 Ω同軸線進行饋電,同軸線的內導體與介質基板的頂層輻射貼片連接,而外導體與介質基板的底層輻射貼片連接. 同時,介質基板的頂層輻射貼片和底層輻射貼片均由環形的90°相位延遲線連接,以實現天線的圓極化特性.

表1為天線的部分最優參數,圖2為天線的反射系數仿真和測試曲線. 從圖2可以看出,測試的反射系數曲線整體向低頻段偏移了100 MHz左右,但是其阻抗帶寬依然能夠覆蓋1.8～2.5 GHz的工作頻段,因此該天線滿足設計要求.

表1 寬帶圓極化對數周期天線的部分參數

圖2 寬帶圓極化對數周期天線的S11仿真與測試曲線

圖3為最外側L形貼片與梯形輻射貼片的間距g對天線S參數的性能影響. 由圖3可見:在其他參數不變的情況下,隨著g值的不斷增大,低頻段的諧振頻率向左偏移,阻抗帶寬也相應變寬;當g增大至1.5 mm時,諧振頻率和阻抗帶寬幾乎不再發生變化;在g值的整個變化過程中,高頻段的諧振頻率和阻抗帶寬均無明顯變化. 因此,L形貼片只對低頻段的諧振頻率和阻抗帶寬起作用.

圖4為90°相位延遲線的寬度r對軸比的性能影響圖. 從圖中可以看出,天線的軸比小于3 dB的圓極化帶寬分別為100 MHz (1.8～1.9 GHz)、100 MHz (2.1～2.2 GHz)和150 MHz (2.35～2.5 GHz).

圖5為寬帶圓極化對數周期天線在不同諧振頻率的表面電流分布. 從圖中可以看出,當f=2.15 GHz和f=2.45 GHz時,電流主要分布在梯形片齒結構對數周期交叉偶極子輻射貼片上,而L形結構輻射貼片上的電流非常微弱. 當f=1.85 GHz時,L形結構輻射貼片上的電流明顯增強,而梯形片齒結構交叉偶極子輻射貼片上的電流有所減弱. 由此可見,在梯形片齒結構交叉偶極子外圍加載L形結構輻射貼片,有助于擴展低頻段的阻抗帶寬.

圖3 g對天線的性能影響

圖4 90°相位延遲線的寬度r對軸比的影響

(a) f=1.85 GHz (b) f=2.15 GHz

(c) f=2.45 GHz圖5 寬帶圓極化天線在三個諧振頻率處的表面電流分布

圖6為寬帶圓極化天線的增益曲線,可以發現在1.8～2.5 GHz頻段內,天線的增益相對比較平穩,最小增益約為2.2 dBi,最大增益約為3.5 dBi.

圖6 寬帶圓極化對數周期天線的增益曲線

2 多頻整流電路設計

本文提出的多頻整流電路的結構如圖7所示,它由兩個并聯的單階電壓倍壓整流電路構成．該多頻整流電路與單階電壓倍壓整流電路的整流原理類似,但是在相同的整流周期內,前者的負載端峰值電壓約為后者的兩倍. 因此,相比單階電壓倍壓整流電路,采用此種結構的整流電路在理論上可以獲得更高的擊穿電壓和整流效率.

圖7 多頻整流電路原理圖

所提出的多頻整流電路的最終結構如圖8所示,每個HSMS-285C包含兩個肖特基二極管,其封裝形式為SOT-323,即原理圖中的D1,D2,D3,D4,兩個匹配電路均采用π型匹配結構. 整流電路的介質材料為羅杰斯5880,相對介電常數為2.2,厚度為0.787 mm,PCB板尺寸為50 mm×34 mm. 通過對整流電路的各關鍵參數進行優化,最終得到如表2所示的參數值.

圖8 多頻整流電路的結構模型

參數長度/mm參數量值L50Φ1100°W34Φ290°R165RL700ΩR230L143nHl198L218nHl235C1、C2、C3、C4100pF

圖8中的匹配電路1由扇形枝節、彎曲短路枝節和貼片電感L1組成,主要實現在1.85 GHz和2.45 GHz附近的源阻抗與負載阻抗之間的阻抗匹配. 圖8中的匹配電路2包括直短路枝節、扇形枝節和貼片電感L2,主要實現2.15 GHz左右的源阻抗與負載阻抗之間的阻抗匹配. 其中兩個扇形枝節等效于λ/4開路傳輸線,在匹配電路中起容抗作用. 與傳統直形短截線相比,在輸入阻抗相同的條件下采用扇形開路枝節能將窄帶特性改善為寬帶特性,因此能夠實現較寬的工作帶寬. 短路枝節通常用作電感或電容,當短路枝節的長度小于λ/4時具有電感特性,否則表現為電容特性. 在本設計中,匹配網絡由具有電感特性的短路枝節、貼片電感和扇形枝節組成.

3 仿真和測試結果

所提出的多頻整流電路的性能測試系統主要由矢量網絡分析儀、射頻電纜、信號發生器和數字萬用表組成,如圖9所示. 整流電路的仿真和測試反射系數曲線如圖10所示,可以清楚地看出,整流電路在不同的輸入功率下很好地覆蓋了三個工作頻段. 在諧振頻率2.15 GHz處,仿真結果與測試結果之

間具有良好的一致性,而在1.85 GHz和2.45 GHz處測試的S11發生了輕微的偏移,這可能是由于PCB板在較高頻率處的介質損耗、整流二極管的損耗以及焊接在電路上的集總元件的未知寄生參數對電路造成的影響. 整流電路的RF-DC轉換效率可以通過以下表達式計算得到:

(4)

式中:Pdc是整流電路的輸出直流功率;Pin是整流電路的輸入射頻功率;Vdc和Idc分別是輸出直流電壓和直流電流;RL是負載電阻.

圖9 整流電路的系統性能測試圖

圖10 兩個輸入功率下的仿真和測試S11曲線圖

測試時使用射頻信號發生器來替代接收天線,以在轉換效率測量期間為整流電路提供射頻功率. 在三個諧振頻率處,仿真和測試得到的隨輸入功率變化的RF-DC轉換效率如圖11所示. 當輸入功率從-35 dBm到0 dBm時,相應的轉換效率由7%增加到50%,因此所提出的整流電路在相對低的功率密度下具有非常好的功率靈敏度和轉換效率. 在2.15 GHz處,當輸入功率為5 dBm時,整流電路的最大RF-DC轉換效率約為65%.

圖11 三個頻率下的隨輸入功率變化 的仿真和測試轉換效率

多頻整流電路的RF-DC整體轉換效率ηs可以由以下的公式計算得到:

(5)

(6)

式中:Pn為所有射頻信號的功率之和;Pfi為單個射頻信號的功率;k為射頻信號的個數;PL為整流電路的損耗功率. 多頻整流電路的RF-DC整體轉換效率,如圖11所示,從圖中可以看到,電路的最大RF-DC整體轉換效率大約為76.5%,相比單個射頻信號大約提高了10%.

為了評估整流天線的性能,將多頻整流電路與接收天線連接,輸出電壓用數字萬用表測量.測試環境為具有較低射頻功率密度的室內辦公環境,利用LZT-1000電磁輻射測試儀測試室內環境的電磁輻射強度,測得的輻射強度為6.02 μT. 如圖12所示,測得整流天線的輸出電壓約為139 mV.

圖12 整流天線性能測試圖

表3把本文所提出的整流天線性能與最近幾年的整流天線性能作比較.可以看出本文所提出的寬帶圓極化天線在覆蓋以前的大多數工作頻段的同時,實現了更高的RF-DC轉換效率,擴大了輸入功率的范圍,能夠收集更低功率的射頻信號,并完成整流天線的小型化設計. 在接下來的工作中,為進一步減小整流天線整體尺寸,將嘗試把接收天線和整流電路集成.

表3 整流天線性能對比

4 結 論

本文提出了一種由射頻能量接收天線和多頻整流電路構成的寬帶圓極化整流天線. 接收天線的輻射貼片為梯形片齒對數周期交叉偶極子,從而實現了寬頻帶特性. 此外,為了獲得圓極化特性,接收天線采用新的饋電結構,即兩對相互正交的交叉偶極子通過環形的90°相位延遲線連接. 為了提高整流電路的性能和效率,基于單階電壓倍壓整流電路,提出了具有兩個枝節的新型阻抗匹配電路的多頻整流電路. 仿真結果表明,接收天線實現了1 100 MHz的阻抗帶寬和350 MHz的3 dB軸比帶寬,多頻整流電路的最大RF-DC整體轉換效率為76.5%,功率靈敏度達到-35 dBm,在負載電阻為700 Ω時,整流天線負載端測得輸出電壓約為139 mV. 因此,該整流天線適合許多低功耗設備,可以應用于許多無電池無線應用中.

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郝宏剛(1977—)，男，山東人，教授，博士,主要從事光電檢測技術、LED通信技術、電磁理論及應用研究.

倪星瑞(1993—)，男，四川人，碩士研究生，主要研究方向為射頻與微波集成電路、環境射頻能量收集等.

龔見國(1988—)，男，重慶人，碩士,主要從事環境射頻能量收集的研究.

Researchanddesignofbroadbandcircularlypolarizedrectenna

HAOHonggangNIXingruiGONGJianguoHUANGWenCHENHaileiDUShimiao

(SchoolofOptoelectronicEngineering,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China)

A broadband circularly polarized rectifying antenna (rectenna) for the micro-radio energy harvesting in space, which consists of a radio frequency (RF) energy receiving antenna and a multi-band rectifying circuit is proposed in this paper. The log periodic cross dipole is used to obtain wideband characteristics on the radiation patch of the receiving antenna. At the same time, two pairs of orthogonal crossed dipoles are connected by a curved 90 degree phase delay line, which is aim to achieve the circular polarization characteristics of the antenna. The multi-band rectifying circuit is composed of two single-stage voltage doubler rectifying circuit. A new impedance matching circuit with two branches is introduced to improve the performance and efficiency of the rectifying circuit in parallel. The simulation results show that the impedance bandwidth and the 3 dB axial ratio bandwidth of the receiving antenna are 1100 MHz and 350 MHz respectively. The power sensitivity of multi-band rectifying circuit reaches-35 dBm, and the maximum RF-DC conversion efficiency is up to 76.5%. The measured output voltage of the rectenna is about 139 mV when the radiation intensity is 6.02 μT and the value of load resistor is 700 Ω, so it is suitable for low power RF energy harvesting applications.

RF energy harvesting; rectenna; log periodic antenna; multi-band rectifying circuit; conversion efficiency

郝宏剛, 倪星瑞, 龔見國, 等. 寬帶圓極化整流天線的研究與設計[J]. 電波科學學報,2017,32(4):403-409.

10.13443/j.cjors.2017072401

HAO H G, NI X R, GONG J G, et al. Research and design of broadband circularly polarized rectenna[J]. Chinese journal of radio science,2017,32(4):403-409. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2017072401

TN820

A

1005-0388(2017)04-0403-07

DOI10.13443/j.cjors.2017072401

2017-07-24

重慶市教育委員會科學和技術研究項目(kj1400417)

聯系人： 倪星瑞 E-mail: xingray@yeah.net