一種應(yīng)用于2．45GHz的微帶整流天線設(shè)計

摘要：為實現(xiàn)對低功耗負載的微波供電，設(shè)計了應(yīng)用于2．45 GHz的微帶整流天線。在接收天線設(shè)計中，引入了光子晶體(PBG)結(jié)構(gòu)，提高了接收天線的增益和方向性；在低通濾波器部分引入了缺陷地式(DGS)結(jié)構(gòu)，以相對簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了2．8 GHz低通濾波器特性；最后通過ADS軟件設(shè)計得出了用于微帶傳輸線與整流二極管間的匹配電路。將接收天線、低通濾波器和整流電路三部分微帶電路進行整合，完成整流天線的設(shè)計。通過實驗測試，該整流天線的增益為4．29 dBi，最高整流效率為63％。通過引入光子晶體結(jié)構(gòu)和缺陷地式結(jié)構(gòu)，在保證整流天線增益和整流效率的基礎(chǔ)上，有效地減小了天線的尺寸，簡化了設(shè)計方法。
關(guān)鍵詞：整流天線；光子晶體結(jié)構(gòu)；缺陷地式結(jié)構(gòu)；無線能量傳輸

微波無線能量傳輸技術(shù)提出于上世紀60年代，1964年威廉，布朗成功驗證了一個可以把微波能量轉(zhuǎn)換成直流輸出的硅整流二極管天線。該技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用于太陽能衛(wèi)星、無人機驅(qū)動、兩地遠距離電能傳輸?shù)却蠊β蕚鬏攬龊稀Ｔ诩呻娐泛桶雽?dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展的今天，無線能量傳輸技術(shù)越來越多地應(yīng)用于低功耗電子設(shè)備中，如射頻識別系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、微機械系統(tǒng)。其中，整流天線扮演著重要的角色，得到了很大的發(fā)展。近年來，微帶電路被廣泛應(yīng)用于整流天線的設(shè)計：微帶天線具有體積小、成本低、重量輕、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，并且微帶電路設(shè)計簡單、易于系統(tǒng)整合，與傳統(tǒng)電路相比，微帶電路具有得天獨厚的優(yōu)勢。
2004年科羅拉多大學(xué)設(shè)計并研制出了應(yīng)用于2．45 GHz和5．8 GHz的雙頻段圓極化寬帶整流天線陣列，該設(shè)計將傳統(tǒng)的阿基米德螺旋天線引入到了整流天線的設(shè)計中，在X波段整流效率可達到60％°2010年美國俄亥俄州立大學(xué)完成了基于分形結(jié)構(gòu)的整流天線設(shè)計，該整流天線的整流效率到達了70％。自1994年電子科技大學(xué)林為干院士在國內(nèi)首次引入微波無線能量傳輸這一概念以來，國內(nèi)對整流天線的研究也不曾停止過。在文獻中，上海大學(xué)學(xué)者提出了整流天線優(yōu)化設(shè)計的一體化分析模型，研制出了圓極化整流天線，其整流效率達到了58％。2010年哈爾濱工業(yè)大學(xué)完成了基于八木印刷天線的整流天線設(shè)計，并且將整流天線應(yīng)用于微型機器人的供電系統(tǒng)。雖然很多學(xué)者都對整流天線的設(shè)計進行了研究，但是還存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大、不易加工等缺點，很難應(yīng)用于微系統(tǒng)，因此實現(xiàn)小尺寸整流天線是很有必要的。
本文對傳統(tǒng)的整流天線進行了改進，通過新型結(jié)構(gòu)減小了整流天線的整體尺寸。首先引入了光子晶體結(jié)構(gòu)，對傳統(tǒng)微帶貼片天線進行了改善。通過抑制天線表面波所產(chǎn)生的高頻分量，提高了天線的增益和方向性。其次在低通濾波器設(shè)計中引入了缺陷地式結(jié)構(gòu)，通過簡單的缺陷地式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了2．45 GHz低通濾波器特性。再次，設(shè)計了微帶整流電路，最終得出了應(yīng)用于2．45 GHz整流天線的整體設(shè)計。光子晶體結(jié)構(gòu)和缺陷地式結(jié)構(gòu)的引入有效地簡化了整流天線的設(shè)計，更加便于系統(tǒng)的集成。

1 整流天線設(shè)計
整流天線主要由接收天線、低通濾波器、整流電路與輸出低通濾波器4部分構(gòu)成，在接收端由天線接收微波束的能量，整流電路通過整流二極管將接收到的微波能量轉(zhuǎn)化為直流能量輸出。但是由于二極管是非線性器件，它除了產(chǎn)生直流外，還會產(chǎn)生影響系統(tǒng)性能的二次、三次等高階次諧波，這些高次諧波會嚴重影響前端接收天線的工作特性，進而影響整流天線的整流效率。于是在接收天線和整流電路之間加入低通濾波器就很有必要了，低通濾波器可以將這些高次諧波反射回整流二極管中進行二次整流，從而提高系統(tǒng)的整流效率。另外，在輸出端引入輸出低通濾波器，可以有效防止直流以外的高頻能量輸出，同樣有效地提高了整體電路的整流效率。
1．1 光子晶體天線設(shè)計
光子晶體天線是指將微波毫米波光子晶體結(jié)構(gòu)(Photonic Band—Gap，PBG)應(yīng)用于天線設(shè)計中。它利用了光子晶體結(jié)構(gòu)的禁帶特性，使一定頻率范圍內(nèi)的電磁波不能在其表面?zhèn)鞑?。這種結(jié)構(gòu)可以抑制天線工作時所產(chǎn)生的高次諧波，從而可以在一定程度上提高天線的增益和方向性。
設(shè)計光子晶體天線一般基于以下原則：光子晶體數(shù)目一般取4到5個周期，并在整體設(shè)計中與天線處于對稱位置。為保證在引入光子晶體結(jié)構(gòu)后，天線的性能不產(chǎn)生根本性的變化，地板上光子晶體結(jié)構(gòu)中方孔邊長一般取四分之一波長，即λg。在方孔半徑與方孔間距比值為1／4時，效果最佳。
本文的微帶天線采用傳統(tǒng)矩形貼片天線內(nèi)嵌式饋電設(shè)計，基于光子晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則，對地板進行了PBG周期性結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖1(a)所示，具體參數(shù)指標如下：W1=30mm，L=31mm，W2=16mm，W3=1．9mm，a=6．6mm，b=7mm，微波介質(zhì)板采用FR4，介電常數(shù)為4．4，厚度為1mm。

對傳統(tǒng)矩形天線和光子晶體結(jié)構(gòu)天線分別進行仿真，對比其反射參數(shù)如圖1(b)所示，可以很明顯地看出光子晶體結(jié)構(gòu)對天線高次諧波的抑制作用，該天線的增益為3．69 dBi。
1．2 缺陷地式結(jié)構(gòu)低通濾波器設(shè)計
1999年，韓國學(xué)者在光子晶體結(jié)構(gòu)研究基礎(chǔ)上，提出了將缺陷地結(jié)構(gòu)(Defected Ground Structure，DGS)用于濾波器設(shè)計。DGS結(jié)構(gòu)通過影響地板上傳導(dǎo)電流的分布改變了微帶傳輸線的特性，使得微帶線具有了良好的通帶慢波特性和帶阻特性。與傳統(tǒng)低通濾波器相比，該結(jié)構(gòu)使得濾波器的設(shè)計結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊，并且擁有更好的頻響特性和更小的尺寸，易于系統(tǒng)集成。1999年，韓國學(xué)者在光子晶體結(jié)構(gòu)研究基礎(chǔ)上，提出了將缺陷地結(jié)構(gòu)(Defected Ground Structure，DGS)用于濾波器設(shè)計。DGS結(jié)構(gòu)通過影響地板上傳導(dǎo)電流的分布改變了微帶傳輸線的特性，使得微帶線具有了良好的通帶慢波特性和帶阻特性。與傳統(tǒng)低通濾波器相比，該結(jié)構(gòu)使得濾波器的設(shè)計結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊，并且擁有更好的頻響特性和更小的尺寸，易于系統(tǒng)集成。
本文在微帶線中引入U形DGS單元結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與微帶線耦合，使得其等效介電常數(shù)增加、等效電感變大，從而產(chǎn)生阻帶效應(yīng)，實現(xiàn)低通濾波器特性。該U形DGS結(jié)構(gòu)的矩形尺寸主要影響濾波器截止頻率，縫隙的寬度主要影響諧振極點。因此，該U形DGS結(jié)構(gòu)的頻率特性主要由兩個參數(shù)決定：矩形的尺寸和縫隙的寬度。圖2為對傳統(tǒng)高低阻抗低通濾波器進行的DGS結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體參數(shù)如下：W4=3．6 mm，W5=5．5 mm，W6=1．5 mm，g=0．5mm。微波介質(zhì)板采用FR4，介電常數(shù)為4．4，厚度為1 mm。