用于RF采集的雙頻微帶天線研究

楊宇

【摘 ?要】設計了一種新型的帶“凸”字形缺口的雙頻微帶天線。首先利用HFSS軟件對該天線設計，并對設計參數進行優化得到回波損耗曲線，結果表明，該天線有兩個諧振點，分別為2.45GHz和5GHz，各頻段的帶寬為100MHz和500MHz，增益為4.82dBi和5.48dBi。這個天線的尺寸較小，可用于短距離通信環境中的射頻信號（RF）采集。

【關鍵詞】雙頻;微帶天線;HFSS;帶寬;射頻信號

1 引言

伴隨著當今社會生活水平的不斷提升，人們對于通信業務的追求也隨之不斷提升，無線網絡設施對于電能的需求也逐漸增大，單純憑借電池供電已極大的限制了了其使用時間以及應用范圍。為了能夠有效的解決電量受限問題，能量收集技術正在一步步的代替電池供能技術，以實現有效延長無線通信系統使用壽命的目的。傳統意義上的能量收集技術，是通過自然環境來獲得能量的，譬如太陽能、風能等等。但由于天然能源太容易遭受地域亦或是氣候的干擾，加之其無法在室內予以收集，因此一種嶄新的能源收集方法逐漸走進人們的視野中來，即RF信號。人們通過接收RF信號，在獲取信息的同時還能夠收集能量，不僅提升了針對能量的利用率，其還給無線系統的設計以及無線資源的合理分配帶來了一場巨大的革命。此技術被稱為信息與能量同步傳輸技術，又被叫做無線攜能通信技術（SWIPT）。其能夠有效的保障能量在一定范圍內便捷的傳輸，極大的免除了傳統技術所帶來的種種不便。其核心的思想在于，實現信息和能量的同步傳輸，實現通信頻帶同能量資源的高效運用。

天線作為SWIPT能量收集系統的關鍵元件，用于捕獲輻射的RF能量并提取最大功率，目標是能產生大的直流輸出電壓，以便能最大效率的轉換成可用于給傳感器供電的電能。用于RF能量采集的各種天線拓撲已經被記錄，盡管如此，只有少數在小型化、增益和帶寬方面都有很好的表現。毫無疑問，如何改善RF采集技術中接收天線的相關性能成為了迫切的需求。基于此，本文設計了一種尺寸較小的雙頻接收天線，其在尺寸和增益方面效果不錯，相比文獻來說部分性能得到改善和提升。

2 雙頻微帶天線設計

為了使天線更有效、在更寬泛的范圍捕獲短距離無線通信環境中的RF能量，其帶寬和增益參數是我們必須所注意的。因此如何提高天線性能是我們要解決的首要問題，在已報道的方式中大概有以下幾種：在天線上嵌入插槽、應用阻抗匹配和饋電技術、添加缺口。基于這些方法的提出，我們采用復合方式提出了一種新型的天線，即在傳統微帶天線上添加缺口和開圓孔，其結構圖如圖1所示。

3 參數優化及天線性能

在對天線初步仿真后，相關指標不盡人意，需要進行優化。由于該天線涉及的參數較多，為了節約時間且參數間不重復優化，因此我們要確定參數優化的大致順序，最終確定為L3>W3>R0>n>d>a>b。我們得知影響天線諧振中心的關鍵參數為圓孔的半徑R0，而影響天線帶寬的主要參數為a，因此本文著重關注這兩個參數的優化。經過HFSS的大量仿真后得出結果，圖2是優化曲線。

所有參數仿真優化后，我們得到該天線的S11曲線，如下圖所示：

4 結論

本文提出了一種新型的帶“凸”字形缺口的雙頻天線，重點介紹了該天線的結構設計圖以及重要參數的優化。最后的設計結果表明其兩個頻點分別位于2.45GHz和5GHz，且回波損耗均低于-10dB，滿足工程設計上的一般要求。因此該天線可作為接收天線用于RF能量的采集。

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（作者單位：西華大學電氣與電子信息學院）