為了盡可能降低成本，天線采用低成本的FR-4印刷電路板(PCB)材料製造。開發的這種矩形片狀天線陣列工作在2.45GHz的工業

、科學和醫療(ISM)頻段，在矩形片狀振子上設計了額外的凹槽以提高增益。這個天線設計中還包含了一個導通發光二極管(LED)
，用於指示捕獲到的電壓值在0.01Vdc至3.94Vdc間的能量。

 

采用“智能”jishudeguangxianchuanganqiheqitadianziqijianyijingkaishiyingxiangxuduorendeshenghuo。zhexiechuanganqikeyijianceshineideguangxianminganchengdu
，ranhouzaiguangxianjiangdidaoshedingliangdushizidongkaideng。zhezhongzhinengxitongbujinyouzhuyugaishanrenmendeshenghuozhiliang，erqieyouliyujieshengnenglianghechengben。zhezhongduinengliangdezhinengshiyongkeyiyingyongyumeiyoudianchideyaokongqiyijicaiyongshoujinenglianggongzuodeyidongdianhuachongdianqi。

 

研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)已(yi)經(jing)開(kai)發(fa)出(chu)各(ge)種(zhong)方(fang)法(fa)用(yong)於(yu)從(cong)外(wai)界(jie)提(ti)取(qu)環(huan)境(jing)能(neng)量(liang)
，並(bing)將(jiang)它(ta)轉(zhuan)換(huan)為(wei)電(dian)能(neng)供(gong)低(di)功(gong)耗(hao)傳(chuan)感(gan)器(qi)等(deng)應(ying)用(yong)使(shi)用(yong)。借(jie)助(zhu)自(zi)我(wo)供(gong)電(dian)的(de)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)自(zi)主(zhu)能(neng)量(liang)，這(zhe)種(zhong)收(shou)集(ji)到(dao)的(de)能(neng)量(liang)可(ke)以(yi)催(cui)生(sheng)出(chu)許(xu)多(duo)新(xin)的(de)“綠色”電子設備。環境中存在的能量可以從各種源進行複用，包括太陽能、磁能
、振動和射頻/微波能。後者在開放空間中可以免費獲得，並可以通過合適的接收天線捕獲到並整流成可用的直流電壓。

 

近(jin)年(nian)來(lai)
，隨(sui)著(zhe)基(ji)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)無(wu)線(xian)網(wang)絡(luo)和(he)其(qi)它(ta)應(ying)用(yong)數(shu)量(liang)的(de)不(bu)斷(duan)增(zeng)加(jia)
，電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)的(de)使(shi)用(yong)得(de)到(dao)了(le)非(fei)常(chang)快(kuai)速(su)的(de)增(zeng)長(chang)，但(dan)電(dian)池(chi)隻(zhi)能(neng)提(ti)供(gong)有(you)限(xian)的(de)壽(shou)命(ming)和(he)固(gu)定(ding)的(de)能(neng)源(yuan)供(gong)給(gei)率(lv)。而(er)諸(zhu)如(ru)片(pian)狀(zhuang)天(tian)線(xian)等(deng)能(neng)量(liang)捕(bu)獲(huo)天(tian)線(xian)可(ke)以(yi)從(cong)環(huan)境(jing)中(zhong)捕(bu)獲(huo)能(neng)量(liang)，進(jin)而(er)替(ti)代(dai)電(dian)池(chi)。目(mu)前(qian)市(shi)場(chang)上(shang)有(you)許(xu)多(duo)不(bu)同(tong)的(de)片(pian)狀(zhuang)天(tian)線(xian)
，包(bao)括(kuo)蛇(she)形(xing)線(xian)天(tian)線(xian)(MLA)、線(xian)性(xing)極(ji)化(hua)天(tian)線(xian)和(he)圓(yuan)形(xing)極(ji)化(hua)天(tian)線(xian)。本(ben)文(wen)將(jiang)討(tao)論(lun)這(zhe)些(xie)不(bu)同(tong)的(de)配(pei)置(zhi)
，以(yi)求(qiu)找(zhao)到(dao)適(shi)合(he)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)的(de)最(zui)佳(jia)天(tian)線(xian)拓(tuo)撲(pu)，以(yi)及(ji)能(neng)夠(gou)將(jiang)射(she)頻(pin)信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)以(yi)替(ti)代(dai)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)路(lu)。

 

為(wei)了(le)最(zui)大(da)化(hua)覆(fu)蓋(gai)率(lv)，大(da)多(duo)數(shu)通(tong)信(xin)係(xi)統(tong)使(shi)用(yong)全(quan)向(xiang)輻(fu)射(she)圖(tu)案(an)的(de)天(tian)線(xian)。能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)係(xi)統(tong)就(jiu)是(shi)要(yao)靠(kao)捕(bu)獲(huo)其(qi)中(zhong)一(yi)些(xie)可(ke)用(yong)的(de)能(neng)量(liang)。可(ke)用(yong)能(neng)量(liang)的(de)數(shu)量(liang)是(shi)很(hen)大(da)的(de)
，但(dan)隻(zhi)能(neng)少(shao)部(bu)分(fen)能(neng)被(bei)收(shou)集(ji)到(dao)，因(yin)為(wei)一(yi)些(xie)能(neng)量(liang)通(tong)過(guo)熱(re)的(de)形(xing)式(shi)散(san)發(fa)了(le)，或(huo)被(bei)其(qi)它(ta)材(cai)料(liao)所(suo)吸(xi)收(shou)。射(she)頻(pin)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)係(xi)統(tong)由(you)微(wei)波(bo)天(tian)線(xian)
、預整流濾波器
、整流電路以及將輸入電磁(EM)波整流成直流電流的直流低通濾波器(LPF)組成。整流電路可以是多種類型中的任意一種——比如全波橋式整流器或采用單個分流器的全波整流器。

 

為了實現最優的電力傳送
，在天線和整流器之間使用了低通濾波器(LPF)jinxingzukangpipei。yidanxinhaojingguozhengliuhou，jiuyongzhiliuditonglvboqi，tongguoshuaijianhuanjingzhongcunzaideshepinxinhaozhongdegaopinxiebo
，laipinghuashuchuzhiliudianyahedianliu。zaijiangnengliangchuansonggeizhengliuerjiguanzhiqianjinliangshoujizuidadegonglv，ranhouyizhiyouerjiguanchansheng、並從天線那裏輻射出來作為損失功率的諧波。

 

有許多因素影響有效的能量收集，包括天線發射功率、天線接收功率
、轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)和(he)轉(zhuan)換(huan)電(dian)路(lu)分(fen)析(xi)。為(wei)了(le)提(ti)高(gao)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)
，必(bi)須(xu)實(shi)現(xian)多(duo)種(zhong)天(tian)線(xian)設(she)計(ji)，包(bao)括(kuo)天(tian)線(xian)陣(zhen)列(lie)和(he)圓(yuan)形(xing)極(ji)化(hua)天(tian)線(xian)。寬(kuan)帶(dai)天(tian)線(xian)可(ke)以(yi)從(cong)各(ge)種(zhong)源(yuan)接(jie)收(shou)相(xiang)對(dui)高(gao)的(de)射(she)頻(pin)功(gong)率(lv)
，而(er)天(tian)線(xian)陣(zhen)列(lie)可(ke)以(yi)增(zeng)加(jia)提(ti)供(gong)給(gei)二(er)極(ji)管(guan)進(jin)行(xing)整(zheng)流(liu)的(de)入(ru)射(she)功(gong)率(lv)。圖(tu)1顯示了矽整流二極管天線的框圖。

 

圖1：這張框圖顯示了在ISM頻段使用的矽整流二極管天線。

 

計算機仿真技術公司開發的CSTMicrowave Studio套件2011版用於設計和仿真高增益能量收集天線，而Keysight Technologies公司開發的高級設計係統(ADS)2011版用於設計和仿真整流電路。天線和整流電路在FR-4 PCB材料上製作
，方便實際測量值和仿真結果的比較。圖2顯示了天線設計過程的流程。、

 

圖2：這個係統流程圖顯示了能量收集天線係統的設計過程。

 

圖3：這是能量收集天線的側視圖。

 

圖4：這些不同的視圖顯示了能量收集天線的(a)前視圖
、(b)底視圖和(c)後視圖。

 

這種天線是為ISM頻段的應用設計的
，並在低成本的電路基板材料上用光刻圖案和蝕刻技術進行製造。如圖3所示，天線由底部的地平麵、FR-4電路基板和微帶貼片天線之間的空氣間隙以及額外凹槽組成(圖4是天線的其他視圖)。貼片天線和地平麵都是由銅組成的。天線由位於傳輸線中心的同軸饋電連接器進行激勵。當工作在2.45GHz時


，可以用以下公式計算微帶貼片天線的寬度和長度：

 

其中：c=光速；f=工作頻率(2.45GHz)
；εr=PCB基板的相對介電常數；εreff=PCB基板的有效相對介電常數。

 

為了達到良好的隔離效果
，天線的相鄰振子應相隔至少目標頻率對應波長的二分之一(λ/2)。我們分別在天線振子間距為5.8cm(0.4737λ)、6.1cm(0.4982λ)和6.5cm(0.5310λ)時做了隔離性能測試
，最後發現間距為6.1cm時可以在優化後提供最佳的性能。

 

微帶天線不僅經常被用作單振子元件
，而且也被用作陣列——尤其是在需要創建單振子天線無法實現的圖案時。微帶陣列的饋電網絡可以用梯形傳輸線將100Ω天線貼片振子匹配到50Ω輸入端口或四分之一波長阻抗轉換器來實現。

 

當前設計采用了錐形線和天線陣列，其中的天線陣列由位於最厚傳輸線中間的探針以SMA兼容的50Ω阻抗饋電。對於Z0 = 50 Ω的特征阻抗
，分到兩條饋電線的阻抗是100Ω。

 

整(zheng)流(liu)電(dian)路(lu)的(de)設(she)計(ji)基(ji)於(yu)的(de)是(shi)對(dui)該(gai)電(dian)路(lu)的(de)傳(chuan)輸(shu)線(xian)計(ji)算(suan)。用(yong)於(yu)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)係(xi)統(tong)的(de)基(ji)本(ben)整(zheng)流(liu)器(qi)設(she)計(ji)由(you)一(yi)個(ge)二(er)極(ji)管(guan)和(he)一(yi)個(ge)電(dian)容(rong)組(zu)成(cheng)。選(xuan)擇(ze)這(zhe)種(zhong)簡(jian)單(dan)設(she)計(ji)的(de)原(yuan)因(yin)是(shi)盡(jin)量(liang)減(jian)小(xiao)二(er)極(ji)管(guan)損(sun)耗(hao)。為(wei)了(le)實(shi)現(xian)快(kuai)速(su)開(kai)關(guan)速(su)度(du)和(he)低(di)壓(ya)降(jiang)的(de)目(mu)的(de)
，本(ben)文(wen)選(xuan)擇(ze)了(le)Keysight公司的型號為HSMS-286B二極管。

 

 

這裏采用了一種參數化的研究方法，用以確保天線工作在要求的諧振頻率(2.45GHz)。利用這種設計方法，可以調整貼片天線的長度和寬度，以及傳輸線的凹槽和長度。這些調整對反射損耗、增益和阻抗帶寬的影響是很顯著的。初始設計是沒有額外凹槽的
，天線工作在2.4973GHz
，反射損耗是-12.178dB。小數帶寬計算值為2.96%
，天線增益為13.35dB。

 

額外凹槽被引入天線陣列的每個單振子用於提高性能。這樣
，額外凹槽可以將天線增益提高13.51dB。參數化分析是用固定設計參數做的，長度和寬度Lf、Lb、Lp、Wp和Ls1參數除外。

 

以下值被應用於天線設計：Lp = 45mm, Lf = 25.5mm, Wp = 49mm。然後對設計進行仿真，發現2.408GHz點的反射損耗提高到了-46.486dB。計算得到的阻抗帶寬是3.65%，增益是13.54dB，方向性是14.04dB。

 

然後利用參數化研究得出的值對天線性能進行仿真
，仿真發現具有額外凹槽並且Wp = 47 mm、Lp = 43 mm、Lf = 25.5 mm
、Ls1 = 16 mm時的天線設計具有很高的增益。這種天線工作在2.446GHz
，具有-22.938dB的反射損耗和99.4MHz(3.87%)的阻抗帶寬。同時它能實現14.08dB的高增益和14.18dB的方向性。

 

當隻有Lp改變時(變到41mm)，增益將下降到13.79dB。可以觀察到一些頻率漂移：漂移到了2.486MHz，反射損耗變成了-15.931dB。這個結果表明，貼片天線長度影響頻率。因此，為了確保在2.45GHz處的ISM頻段正常工作
，Lp要設為43mm。當線路阻抗S1為61.18Ω時
，2.446GHz的天線設計的阻抗匹配是59.499326Ω至8.460473Ω。

 

在進行集成和再次測量之前，需要分開來測量天線和整流電流。圖5和圖6顯示了這種集成之前和之後的整流電路輸出電壓測量值。測量的目的是確定天線陣列的反射損耗、輻射圖案、增益和接收功率。

 

圖5：這是製造過的能量收集天線的設計。

 

圖6：單級整流器電路和天線一起用來將射頻能量轉換為直流電壓。

 

天線陣列設計與2.45GHz點的單頻段功能一起工作，非常適合ISM頻段應用。圖7顯示了仿真和測量結果，其中x軸是頻率(GHz)
，y軸是反射損耗幅度(dB)。仿真結果表明，最佳工作頻率為2.446GHz
，此時的反射損耗是-22.938dB。測量結果表明，天線諧振的最佳點是2.4502GHz
，此時的反射損耗是-18.4dB。測量結果似乎顯示95%的精度，幾乎與仿真結果有相同的值。通過引入凹槽以及企業饋電網絡方法，可以實現最優的反射損耗。

 

圖7：這些仿真和測量展示了在反射損耗性能方麵最好的天線頻率。

 

天線帶寬等於同樣在3dB下降點的上限頻率減去下限頻率，見仿真和測量結果所示。圖8和圖9分別顯示了94.6MHz的仿真天線帶寬和95.8MHz的de測ce量liang天tian線xian帶dai寬kuan。測ce量liang結jie果guo稍shao好hao於yu仿fang真zhen結jie果guo，但dan兩liang個ge值zhi仍reng然ran非fei常chang接jie近jin。通tong過guo使shi用yong為wei貼tie片pian天tian線xian陣zhen列lie中zhong的de每mei個ge輻fu射she振zhen子zi引yin入ru的de雙shuang槽cao結jie構gou以yi及ji饋kui電dian網wang絡luo安an排pai中zhong的de饋kui電dian位wei置zhi，這zhe種zhong帶dai寬kuan還hai可ke以yi進jin一yi步bu增zeng加jia。

 

圖8：根據電腦仿真結果，天線帶寬是94.6MHz。

 

圖9：根據測量結果，天線帶寬稍微變寬了

，為95.8MHz。

 

這種多層2×2天線陣列在每個輻射振子都有額外凹槽的條件下的目標增益都大於10dB，因此可以在收集環境射頻能量時獲得很好的結果。理論上講，天線增益取決於輸送到天線輸入端子的總功率。這樣
，通過仿真(圖10)，為三維(3D)遠場視場實現了14.08dB的天線增益。圖11所示的仿真表明，這種天線可以產生14.18dBi的高方向性。

 

圖10：這些圖顯示了為能量收集天線實現的增益。

 

圖11：這些圖顯示了能量收集天線的方向性。

 

meigejieshoutianxianzhenzidefangxiangxingfeichangzhongyao，qizhongmeigezhenzidoubixuyouzhixiang，yibianzuidazengyibobanbeizhixiangfashetianxian
，congeryouhuajieshounengliangdaxiao。nengliangshoujixitongdejieshoutianxianxuanzedeshi3dB的任意最小增益
，相當於半功率束寬度(HPBW)。增益和方向性的改進是由設計中使用的多層電路結構實現的，其中的空氣間隙被置於FR-4基板和多槽微帶貼片天線之間。

 

圖12：這是用於能量收集天線的輻射圖案。

 

天線的輻射圖案也被仿真和測量。根據圖12(a)的仿真
，天線以方向性的圖案輻射/接收射頻能量
，這種圖案在某些方向上的輻射效率比其它圖案高。HPBW(3dB處)是32度(見表)。如此窄的波束寬度拜天線用的薄FR-4基板材料所賜。天線主瓣幅度很重要
，而旁瓣值必須減小，因為它來自於不想要的方向。

 

圖12(b)和(c)比bi較jiao了le開kai放fang環huan境jing和he測ce試shi室shi內nei的de天tian線xian測ce量liang結jie果guo。在zai這zhe兩liang種zhong情qing況kuang下xia，天tian線xian中zhong的de電dian流liu顯xian示shi
，主zhu輻fu射she振zhen子zi位wei於yu內nei邊bian沿yan和he近jin探tan針zhen饋kui電dian處chu。因yin此ci這zhe種zhong天tian線xian可ke以yi提ti供gong更geng具ju方fang向xiang性xing的de輻fu射she圖tu案an，必bi須xu非fei常chang靠kao近jin發fa射she天tian線xian放fang置zhi。

 

阻zu抗kang匹pi配pei甚shen至zhi表biao麵mian電dian流liu的de流liu動dong對dui這zhe種zhong天tian線xian來lai說shuo都dou很hen重zhong要yao。理li論lun上shang，穿chuan過guo天tian線xian係xi統tong不bu同tong部bu分fen傳chuan輸shu的de電dian磁ci波bo可ke能neng遇yu到dao阻zu抗kang方fang麵mian的de差cha異yi。因yin此ci有you必bi要yao通tong過guo匹pi配pei過guo程cheng將jiang天tian線xian的de輸shu入ru阻zu抗kang轉zhuan換huan為wei與yu傳chuan輸shu線xian相xiang同tong的de阻zu抗kang值zhi
，也ye因yin此ci在zai阻zu抗kang方fang麵mian天tian線xian必bi須xu與yu整zheng流liu電dian路lu集ji成cheng在zai一yi起qi。沒mei有you好hao的de阻zu抗kang匹pi配pei，一yi些xie波bo的de能neng量liang將jiang被bei反fan射she，整zheng流liu電dian路lu將jiang沒mei有you足zu夠gou的de能neng量liang轉zhuan換huan為wei直zhi流liu電dian壓ya。

 

通常使用50Ω的輸入阻抗。這個天線設計中的阻抗匹配是59.49 - j8.46Ω
，線路阻抗是61.18Ω，如圖13所示。這種阻抗匹配對50Ω輸入阻抗來說是非常理想的；饋電位置要仔細定位，以取得好的阻抗匹配性能和最低可能的反射損耗。

 

圖13：天線及其整流器與50Ω係統阻抗進行了仔細的阻抗匹配。

 

圖14：比較仿真結果和測量結果

 

這種ISM頻段能量收集天線顯示在仿真結果和測量結果之間有很好的一致性。由天線和整流電路組成的這種天線係統工作在2.4514GHz，測量到的輸出電壓是3.94Vdc。這種設計應該能夠很好地用於各種不需要電池的ISM頻段應用中。

 

 

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