一種雙頻射頻能量接收天線的設計?

張 凱 呂 健

（江蘇科技大學電子信息學院 鎮江 212003）

1 引言

當前無線通信技術的發展以及物聯網技術的興起，使得無線傳感器網絡得到了更為廣泛的應用［1～2］。由于人們生活周圍存在大量的無線電波信號，因此研究射頻能量收集技術解決無線傳感器節點供電問題有非常好的可行性。這種能量收集技術未來會催生許多的“綠色”電子設備［3］，這非常符合國家大力發展綠色能源的要求。射頻能量收集系統主要由接收天線、輸入濾波電路、用于將射頻能量轉換為直流電能的整流二極管和輸出濾波電路構成［4］。接收天線主要有微帶天線、平面印刷偶極子天線、單極振子天線［5～7］等形式?，F階段對接收天線的研究重點主要是接收天線的工作頻段（多頻段）、頻帶寬度（寬頻化）以及天線的尺寸（小型化）［8～10］。文獻［11］提出一種采用CPW 技術、應用于手機的WLAN 雙頻天線，其主要結構為折疊型L-L，尺寸為10 mm×35 mm×1.2 mm，實現了天線的小型化及雙頻化應用；文獻［12］提出一種適用于WLAN 的緊湊型雙頻天線，天線介質板正面為倒置“土”字型貼片，背面為開縫切角貼片，有較好的輻射全向性，最大增益為2.6 dBi，只不過該天線帶寬較窄，不利于天線寬頻化應用；文獻［13］提出一種三頻段單極子貼片天線，天線可同時工作在2.4/5.2/5.8Ghz 三個頻段，其主要結構是2 個L 形支路，該設計重點研究了天線的多頻化應用；文獻［14］提出一種結構簡單的6/9 形寬頻帶單極子天線，天線可工作在多個頻段，同時在2.58GHZ和4.705GHZ這兩個頻段分別獲得了14.8%（2.36GHz～2.73GHz），52.8%（3.46GHz～5.94GHz）的相對帶寬（S11- ≤10 dB），該設計有效展寬了天線的頻帶寬度。

本文以單極子天線為基礎，通過倒L 型結構和Hilbert曲線結構，提出了一種中心頻率分別為2.45 GHz和5.8 GHz的雙頻單極子天線。該天線通過微帶線實現饋電，使用FR4 材質，其相對介電常數為4.4，損耗正切為0.02，厚度為1.6 mm。仿真結果表示，天線在兩個頻段工作特性良好，分別獲得50 MHz（2430MHz～2480MHz）和360MHz（5630MHz～5990 MHz）的阻抗帶寬（S11≤-10 dB），天線結構簡單，總體尺寸只有18.9 mm×15.4 mm×1.6 mm，滿足天線的小型化要求。

2 天線結構與原理

單極子天線因為其結構簡單、易于制作、剖面低等優點得到了廣泛應用，本文提出的雙頻單極子天線結構如圖1所示。

圖1 單極子天線結構圖

設計天線前一般需要根據設計需求來選擇合適的介質材料，介質材質的介電常數、損耗正切以及厚度都會對天線的性能指標產生一定的影響。介質層厚度增加，在一定程度上會展寬天線的工作帶寬，但會造成天線尺寸的增加；介電常數代表介質層對場的束縛能力，數值高會使天線的帶寬相對變窄同時會產生表面波，表面損耗增大，導致天線增益降低。綜合考慮成本等因素，本文天線設計采用FR4 材質的介質基板。天線介質板上表面為單極子天線和微帶饋線，左側的倒L 型結構產生高頻，使天線工作在5.8 GHz 附近，而右側的Hilbert結構會在低頻端引入低頻諧振頻率。通過三維電磁場仿真軟件HFSS，不斷優化天線的各項參數，最終獲得雙頻單極子天線工作的中心頻率分別為2.45 GHz和5.8 GHz，中心頻率處S11≤-20 dB。

在該天線的設計中，由單極子天線的設計原理，估算出雙頻單極子天線的大概尺寸［15］。本文天線分別工作在2.45 GHz 和5.8 GHz 這兩個頻段，其自由空間天線波長計算公式為

由式（1）計算出在自由空間對應的波長分別為122 mm和52 mm。

其在介質中傳播時，天線波長的計算公式為

由式（2）計算出相對應的波長分別為58.2 mm和24.8 mm。

雙頻單極子天線波的傳播既經過自由空間也經過填充介質，因此實際波長是介于兩者之間，由此最終得出天線的理論波長:在2.45 GHz 工作頻段，14.6 mm ≤1/4波長≤30.5 mm；在5.8 GHz工作頻段，6.2 mm ≤1/4 波長≤13 mm。其中，λ 為自由空間的波長，λε為介質中傳播的天線波長，εr為介電常數，數值取4.4，c 表示光速，f 為諧振頻率。綜合考慮各項參數，天線的初始尺寸如表1所示。

表1 雙頻單極子天線初始幾何尺寸參數

3 天線仿真、優化與分析

根據以上的模型參數，利用三維電磁場仿真軟件HFSS對天線進行建模和仿真優化。在進行天線設計時，需要建立天線模型，設置介質層上下表面的金屬片為理想導體邊界條件，天線饋電面設置為集總端口激勵，之后對天線進行性能仿真，優化天線的性能指標。

3.1 電路參數分析

天線性能受到各項參數的影響，本文使用控制變量法，通過只優化一種參數，保持其他參數不變的方法來分析該參數對天線性能的影響，從而設計出符合要求的最優參數的天線。由雙頻單極子理論可知，L2、L3、W1是高頻臂的組成部分，主要影響天線的高頻段；同理，L0、W2主要影響天線的低頻段，下面將重點分析研究L2、L3、W1、L0、S等參數對天線的作用。

在HFSS 工程樹下添加L2為掃描變量，設置變量L2的掃描范圍為3mm～4mm，S11分析結果如圖2（a）所示。由圖可知，參數L2的改變主要對高頻段有影響，低頻諧振點位置幾乎未發生改變，這驗證了L2是高頻臂組成部分的結論。隨著L2數值的增大，可見高諧振頻點往低頻處偏移，同時也發現L2的改變對高低頻帶寬的改善沒有明顯作用。

設置參數L3的掃描范圍，回波損耗S11分析結果如圖2（b）所示，改變L3參數對天線的高頻段影響較大，高頻諧振頻率隨著天線臂長度變量L3的增大而減小，同時明顯可以看出，當S11<-10 dB 時，高頻段的帶寬和匹配性能都有所變好，當L3=6 mm 時，中心頻率在5.8 GHz，S11<-20 dB。

設置L0參數的掃描范圍為6.5mm～7.5mm，步進為0.5mm。由圖2（c）可知，改變L0參數對天線的高低諧振頻點都會有影響。整體來看，隨著L0增大，兩個諧振點會同時往左側漂移，由于L0是低頻臂的一部分，所以可以看出該參數對低頻諧振點影響更大。當L0=7.5mm 時，兩個諧振點落在2.45 GHz 和5.8 GHz 附近，S11<-20 dB，工作中心頻率符合設計要求。

設置S參數的掃描范圍，回波損耗S11分析結果如圖2（d）所示，微帶線寬度的增加會使天線工作的中心頻率往高頻方向移動，同時帶寬也會隨著尺寸的增加有所改善，結合增大L0參數使諧振點往左側漂移的特點，可以優化天線的帶寬性能，同時使天線的中心頻率在2.45 GHz和5.8 GHz。

圖2 天線各參數對回波損耗的影響

最后通過HFSS 軟件的優化算法設計，綜合考慮各個參數對天線性能的影響，得到最終的天線尺寸參數如圖3所示。

圖3 雙頻單極子天線優化尺寸圖

3.2 天線仿真結果分析

通過上述方法，設計了一個倒L 型和Hilbert曲線結構相結合的雙頻單極子天線，天線工作于IEEE 802.11a 和802.11b 兩個工作頻段，中心頻率分別為2.45 GHz 和5.8 GHz。天線設計完成后，將對設計好的天線進行性能參數分析，本文著重分析研究了天線的回波損耗（S11）、駐波比、輸入阻抗以及方向圖等性能參數。

圖4 天線仿真分析結果

圖4 （a）是單極子天線S11掃頻分析結果，由圖可得，天線工作在兩個頻段，當S11≤-10 dB 的帶寬分別為50 MHz 和360 MHz，且天線相對帶寬分別為2.04%和6.21%，符合無線通信標準要求，能夠滿足射頻能量收集器對周圍環境中無線信號的收集。

圖4（b）是天線的電壓駐波比分析結果圖，圖中可以看出，在2.45 GHz 標記點處，VSWR=1.104，在5.8 GHz 處的值為1.103，駐波比數值都小于1.5，可以得出天線的微帶饋線和天線的阻抗匹配良好，也一定程度上反應了天線接收信號的靈敏度高。

圖4（c）是天線的輸入阻抗值，實線表示輸入阻抗的電阻部分，虛線則表示為電抗，由圖中標記點可以看出，天線在兩個工作頻點處的輸入阻抗與50 Ω的匹配阻抗值接近。

圖4（d）是天線在5.8 GHz 的E、H 面增益方向圖，實線為E 面（xz 面），虛線為H 面（xy 面）。由圖可知，天線在此頻率E 面的最大增益約為2.46 dB，此時Theta 和Ang 的角度都為130°；H 面的天線最大增益約為1.31 dB，此時Theta 和Ang 的角度都為150°。由于損耗和天線尺寸較小的緣故，天線的增益有待提高。

4 結語

本文在普通雙頻單極子天線的基礎上，提出一種Hilbert 曲線結構的單極子天線來實現天線的雙頻工作。該天線尺寸小、結構簡單、易于設計。通過對天線材質的選擇，利用HFSS 三維電磁場仿真軟件，對天線進行了結構設計和參數的仿真分析。對比分析了天線各尺寸參數對天線性能的影響，優化了天線設計。仿真結果顯示，該天線工作于2.45 GHz和5.8 GHz兩個頻率，有良好的匹配特性，并且在高頻的增益達到了2.46 dB。但該天線的工作帶寬需要進一步的優化和拓展，同時該天線需要作出實物才能更好地去驗證天線的性能和實用性。