基于TRIZ創新方法的微帶天線陣列設計

蘇 飛，孫智陽

（天津理工大學電氣電子工程學院，天津300384）

美國、日本、中國臺灣地區在20世紀60年代就出現了以發明問題解決的理論（teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch，TRIZ）為基礎的研究，一些大學將TRIZ列為工程設計方法學課程。在俄羅斯，TRIZ理論一直被作為大學專業技術必修科目，而且還設置有TRIZ理論的研究生專業方向。在美國、北歐等國家的許多院校也都分別開設了創新教育或類似課程，這些大學都將TRIZ理論列為工程設計方法學的核心課程，以培養學生創造性解決問題的思維和能力。經過半個多世紀的發展，如今TRIZ理論和方法已經發展成為一套解決實際問題的成熟理論和方法體系。在激活學生的思維、強化創新意識、改善教學方法與手段、訓練學生創新思維等方面，逐步引導學生采用TRIZ理論中40個發明創造原理，為學生提供聯想思維、想象思維、靈感思維和相互啟發的平臺。但由于我國大學生創新活動的自身特點，此項工作在我國研究起步較晚，目前進行的探索性研究并不多，已有的報道僅限于部分省市將TRIZ應用于課堂啟發性教學方面，并表現出了良好的效果[1-2]。

天津大學機械工程學院開設創新課程后，經過計算機輔助創新軟件和理論培訓的3名工業設計專業大學生在2004年舉辦的全國大學生第三屆“創新杯”設計大賽中，運用CBT/NOVA中提供的TRIZ理論的創新原理和技術系統進化法則等工具，借助于Pro/Innovator軟件，解決實際設計過程中遇到的難題，設計出“城市烏篷”方案，以其造型新穎、結構富有創新性，一舉奪得設計大獎并獲得了專家的高度評價。通過40個學時的培訓，有20余名大學生在校期間申請了專利。北方工業大學在運用CBT/NOVA中提供TRIZ理論的創新原理和技術系統進化法則等工具，借助Pro/Innovator軟件，對創新大賽中關于網球拾球器的概念設計難題提供了諸多解題思路，并獲獎。此外，南京理工大學，華南農業科技大學等為數不多的高校對創新方法在大學生創新實踐中的應用，同樣進行了初步嘗試和研究。課題組通過該項目的研究，初步探索出了一些有價值的結果，主要有：一是在大學生創新實踐計劃項目實施中對創新方法有需求上的緊迫性；二是明確創新方法完全適合在支撐計劃創新領域應用；三是在大創實踐領域適度開展了創新方法的普及和傳播，初步培養了一支創新的團隊；四是在部分領域開展了試點工作，取得了良好的效果。同時也分析出，這些結論在一定程度上是點對點嘗試應用基礎上得到的，而科研實踐和TRIZ創新方法結合的理論研究、項目計劃管理研究和創新模式或規律研究尚未涉及[3]。

本文首先說明TRIZ與工程設計實踐相結合的方法，以解決實際問題和發現創新點的基本原理；其次，基于TRIZ解決發明的基本流程，分別從定義最佳理想解、技術矛盾分析等多個工具詳細說明如何進行問題的提出與描述、沖突矩陣的構建、發明原理的對應；最后給出最終方案[4-5]。基于TRIZ解決問題的流程如圖1所示。

圖1 基于TRIZ解決問題的流程Fig.1 Flow of solving problems based on TRIZ

TRIZ理論把問題歸結為矛盾，將矛盾分成物理矛盾和技術矛盾。對于物理矛盾從時間、空間和物質理想狀態分析尋求解決矛盾的方法；對于技術矛盾，利用TRIZ的矛盾分析工具形成矛盾矩陣，利用標準的39個工程技術參數及對應的40個發明原理，引導開發者發現關鍵參數和解決問題的方法[6-7]。無線傳能技術中最核心的部分是對整流天線的設計，國外對于整流天線的研究起步較早，我國于1994年才開始重視無線傳能技術，目前對微帶整流天線的設計還不完善[8-10]。

本文把TRIZ應用于無線傳能領域的天線設計中，目標是實現遠距離、高效率的電磁波能量傳輸。首先通過TRIZ工具分析得到影響無線傳能的關鍵參量，然后借助HFSS實現天線的設計、仿真、測試和優化。

1 TRIZ方法應用

1.1 項目背景

隨著信息時代的發展，手機成為絕大多數人進行溝通和獲取信息的工具，是當今人類與外界溝通的重要媒介，但對手機進行充電以保證其工作的同時還要保證使用手機的可移動性成為了一個難題。在使用傳統有線充電方式和磁耦合式無線充電方式進行充電中，手機不能進行自由移動，若想提高充電時的可移動性，需要增加無線充電的傳輸距離。充電裝置分為接收裝置與發射裝置兩部分。發射機通過傳感器在空間內智能尋找接收機的位置，隨后用微波式傳電方式對這個位置進行集中輸電，輸電距離可以滿足居家環境的充電需求。促進人工智能更容易融入生活，實現萬物互聯。在發送和接收系統中，天線的設計至關重要，本項目借助TRIZ創新工具實現高發射和接收效率天線，按照問題分析、IFR定義、功能分析定義矛盾、借助發明原理和物場分析尋找解決方案。

1.2 最佳理想解（IFR）分析

首先，根據天線傳輸效率的公式來定義IFR，公式表示為：

式中，d為接收端與天線之間的距離；λ為電磁波波長；GT為發射天線增益；GR為接收天線增益。

IFR定義p為最大，因此，設計最終的目標是d=0，Lfr=0，即無損耗無限遠無線電能傳輸。顯然在實際傳輸環境中無法做到無損耗即Lfr≠0。經過頭腦風暴分析，初步得到電能、空氣、智能系統是可以改善系統性能的資源要素，而設計目標是智能系統。IFR排除限制條件，以明確理想解的方向，保證了問題解決中沿此思路進行，IFR分析如表1所示。

表1 IFR分析Tab.1 IFR analysis

1.3 系統功能分析

微波無線傳能系統一般由3部分構成，即發射天線、整流天線和負載。整流天線系統中除了接收天線還有可抑制高次諧波的低通濾波器、決定整流效率的整流二極管和直通濾波器這4部分，組間相互作用如表2所示。

表2 組間相互作用表Tab.2 Inner group co-function

為了更好地用TRIZ分析整流天線功能模型如圖2所示。由于本文只設計接收天線，所以重點分析和接受天線有關的對象。

圖2 整流天線功能模型Fig.2 Function model of rectification antenna

基礎模型圖，重點挖掘的矛盾問題有3個：

問題1：發射天線和接收天線之間受空間環境、收發天線的匹配等因素影響，導致單元收發天線之間的傳輸效率過低。根據TRIZ理論，將其定義為不足。

問題2：接收天線和外部結構的相互限制。天線尺寸越大，負載得到的能量越多，但由于外部結構將接收天線固定時限制了天線的尺寸，這極大影響了能量傳輸。

問題3：接收天線和低通濾波器之間存在阻抗匹配問題，且在低通濾波器濾除高次諧波的同時會引入其固定的接入損耗，影響能量傳遞。

1.4 物場模型和標準解

利用TRIZ理論的物場分析，建立不充足場模型，如圖3（a）所示，并通過查找標準解在物質S1或者S2內部引入一種添加物S3來解決問題，最終確定解決方案為將接收天線組成陣列，即增加相同的單元天線，充足場模型如圖3（b）所示。

圖3 物場模型Fig.3 Substance-field model

1.5 技術矛盾

針對問題2，利用TRIZ理論的技術矛盾分析，結合40個發明原理，通過問題分析，將問題2的通用工程參數定義為系統復雜性和能量損失，查閱矛盾矩陣得出的解決發明原理如下：序號35為改變參數，改變物理狀態或其他參數，天線大小和頻率呈負相關，故將頻率選定在合適范圍減小天線尺寸。

針對問題3，同理將工程參數定義為系統可靠性和功率。基于矛盾矩陣，篩選可能采用的發明原理，序號11為預先應急措施，事先準備必要的措施以便應對因物體性能不穩定而造成的麻煩，即增加反饋系統。但在本設計中不予考慮反饋系統的設計；序號26為仿制，用廉價的仿制品代替不易得到的材料。即將微帶天線設計為SIR結構代替低通濾波器，或用現有集成芯片實現整流濾波功能。考慮到天線成本問題，不予采納此方法。

綜上所述，將本設計定為工作于5.80 GHz的微帶天線，后續可考慮用帶有反饋系統的濾波整流芯片與微帶天線相結合的方式。

2 5.8 GHz微帶天線的設計

2.1 單元天線的設計

根據相應的理論分析，在本次設計中，將天線設計在60 mm×60 mm×1.60 mm的材料為FR-4矩形介質基板上，貼片材料為銅片，介電常數εr=4.4，損耗正切角tanδ=0.02。天線初步設計參數如表3所示。

表3 天線初步設計參數Tab.3 Initial parameters of antenna

通過HFSS仿真進一步確定天線長度和寬度對天線性能的影響。通過不斷優化得到天線最終參數，如表4所示。

表4 天線最終參數Tab.4 Final parameters of antenna

設計得到天線性能如圖4所示。

圖4 天線性能Fig.4 Performance of antenna

可以看出，在5.80 GHz時，S11值為-50.36 dB，說明此天線性能較好，天線工作帶寬為202 MHz。輸入阻抗為（49.943 0-j0.297 7）Ω，天線結構已經達到良好匹配。

2.2 陣列天線的設計

基于本次設計的單元天線，可將天線設計為串并結合的饋電陣列，與單元天線相比，饋電方式發生變化，改為探針饋電的方式。在組陣列時，各單元天線之間存在互耦效應，以及兩者的輸入阻抗也不同，將導致天線單元在天線陣中的方向圖發生改變，為了解決互耦效應，單元天線之間間距大小的設置尤其重要。經過68次優化，確定陣列天線的最終參數如表5所示。

表5 陣列天線的最終參數Tab.5 Final parameters of array antenna

設計得到天線陣列性能如圖5所示。

圖5 天線陣列性能Fig.5 Performance of array antenna

由圖5（b）可看出在5.80 GHz時，輸入阻抗為（50.412 4-j4.971 3）Ω，已經達到良好的匹配。

2.3 天線實物制作

制作的天線實物及實測如圖6所示。由于加工條件的限制，難免與理想模型有一定差距。

圖6 天線實物及實測Fig.6 Real-made antenna and measurement

一方面是由于加工制作時產生的誤差，另一方面是由于測試設備的限制，如實驗環境中存在噪聲及各種干擾因素。由圖6測試結果可以看出，在諧振頻段內，此陣列天線滿足設計要求。

3 結論

本設計基于TRIZ理論的最佳理想解和系統功能兩種分析方法，推導出設計無線傳能中微帶天線的3個重要參量；其次，設計了一種中心頻點為5.80 GHz的嵌入式微帶貼片單元天線，微帶線饋電。經過HFSS優化，仿真結果顯示天線除方向性外其余指標性能良好；第三，設計出同軸饋電串并結合式陣列天線；最后，經過仿真優化，天線的方向性得到極大改善。實物測試結果表明，設計的陣列天線滿足整體設計要求。