近場微波能量傳輸模型研究

胡晨浩，許天羿，孫虎成

（南京信息工程大學，江蘇南京，211800）

0 引言

通信領(lǐng)域無線射頻技術(shù)中，電磁輻射場區(qū)一般分為遠場和近場。遠場是指以場源為中心，半徑為一個波長之外的空間范圍；而近場是指以場源為中心，在一個波長范圍內(nèi)的區(qū)域，在通信領(lǐng)域內(nèi)常用于射頻識別（RFID）和近場通信（NFC)。

遠場中，所有的電磁能量基本上均以電磁波形式輻射傳播，且能量衰減慢。故遠場中電、磁場強度可視為有E×H=377的恒定關(guān)系，且接收功率可由Friis公式進行表征。而近場中，由于天線中的電流和電荷會產(chǎn)生強烈的電感和電容效應，故近場感應效應與遠場輻射效應相比隨距離增加而衰減的速度快得多，且電、磁場強度不均勻度較大，沒有確定的比例關(guān)系，故迄今為止沒有統(tǒng)一的公式表征。

故本文采用HFSS仿真常見微帶貼片天線、天線陣列，對其近場的能量輻射情況進行仿真分析，對實驗測試的數(shù)據(jù)結(jié)果進行了擬合等分析，最終推導歸納出在一定限制條件下近場的效率傳播的特性，并得到最優(yōu)化仿真模型。

1 方案設(shè)計

本文旨在對近場情況下微波能量效率傳播特性的研究。待研究的近場微波能量傳輸系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。前端采用模擬信號源提供信號，再采用微帶貼片天線進行組陣處理形成天線陣列，對增益進行放大，將其作為微波能量發(fā)射端和接收端，接收陣列接收后通過整流器、直流變換器得到經(jīng)過傳輸?shù)妮斎胄盘枴Ｍㄟ^對仿真得到的一系列數(shù)據(jù)進行數(shù)學擬合與分析，從而得到關(guān)于增益G和距離d的傳輸效率。后期進行加工測試構(gòu)造近場微波效率傳播模型并驗證得到的推論。本項目的具體研究內(nèi)容如下：

圖1 近場微波能量傳輸系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

1.1 微帶貼片天線設(shè)計

本項目中微帶天線由輻射源、介質(zhì)層和參考地三部分組成。并采用同軸線饋電方式，它是將同軸插座安裝在接地板上，同軸線內(nèi)導體穿過介質(zhì)基片接在輻射貼片上，尋取正確的饋電點的位置就可以獲得良好的匹配。通過HFSS建模創(chuàng)建中心頻率為2.4GHz的仿真模型并仿真模型增益系數(shù)。

圖2 微帶貼片天線仿真圖

表1 貼片天線模型參數(shù)

通過模型仿真計算得增益系數(shù)（abs）為2.56，通過公式（1）：

計算得到天線參數(shù)Ae為3.05808×10exp(-3)，再通過公式（2）：

由于本模型接收發(fā)送天線模型相同，此時At與Ar均為Ae，故計算得β參數(shù)為0.025。

圖3 貼片天線模型增益系數(shù)

1.2 傳輸模型設(shè)計

傳輸模型定為兩個相同的貼片天線相對放置，其中天線傳輸距離d從5mm到500mm等間隔進行仿真，仿真不同距離d情況下S12參數(shù)，并通過公式（3）轉(zhuǎn)化得S12：

傳輸效率即為計算出得S12的百分制數(shù)，再通過公式（4）計算得參數(shù)τ:

圖4 d=40mm時S參數(shù)

2 系統(tǒng)仿真與分析

在單天線發(fā)送單天線接收的情況下，天線采用矩形貼片結(jié)構(gòu)，隨著能量傳輸距離從500mm縮小到5mm，傳輸效率不斷提升，但提升速度逐漸緩慢，最終趨于45%，若將天線結(jié)構(gòu)換成圓形貼片，能量傳輸效率隨傳輸距離的變化特性趨勢一致，但在每一個傳輸距離點上的傳輸效率都略低于貼片天線的情況。當對天線組陣進行仿真模擬，傳輸效率會跟隨陣列數(shù)的提升，傳輸效率也獲得提升，在一定誤差下傳輸效率趨勢和理論相同，隨著τ的增加，傳輸速率增長指數(shù)先緩慢上升，在τ大于1.2后增長指數(shù)緩慢下降，傳輸速率最終也趨向90%。

表2 不同傳輸距離d情況下兩種貼片天線傳輸效率（部分）

但矩形貼片天線和圓形貼片天線都存在如下問題：在收發(fā)天線能量傳輸距離50mm到70mm的距離區(qū)間內(nèi)，會出現(xiàn)能量傳輸效率在10%左右上下起伏波動的情況，很不穩(wěn)定，而不是呈上升的大趨勢，和理論公式圖像不相符。

圖5 傳輸特性曲線分析圖

對由數(shù)學擬合（matlab）得到的傳輸特性曲線圖進行分析可以發(fā)現(xiàn)，該模型的傳輸特性變化趨勢與1974年威廉·C·布朗教授團隊的結(jié)論大致相符，證明了傳輸效率較高時，輻射分布趨于高斯分布，且在天線邊緣有所截斷。綜合分析可以得出結(jié)論，如果孔徑面積適當調(diào)整以保持較高恒定值，天線效率將與接收端與發(fā)射端的距離無關(guān)。

3 結(jié)語

本設(shè)計從微帶貼片天線出發(fā)，研究近場情況下距離、天線屬性等因素對傳輸效果的影響，針對當前近場這一領(lǐng)域進行了探索與學習，基于三維電磁軟件HFSS仿真微帶貼片天線、天線陣列，并通過數(shù)學擬合等工具對所得的數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析，驗證文獻中的理想分析與推論。希望通過本次設(shè)計與實驗，為近場能量傳輸研究提供一份新的借鑒和參考。