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)、xianxingjihuatianxianheyuanxingjihuatianxian。benwenjiangtaolunzhexiebutongdepeizhi，yiqiuzhaodaoshihenengliangshoujidezuijiatianxiantuopu
，yijinenggoujiangshepinxinhaozhuanhuanchengzhiliudianyayitidaidianchidedianlu。

 

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tu1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95.8MHzdeceliangtianxiandaikuan。celiangjieguoshaohaoyufangzhenjieguo
，danlianggezhirengranfeichangjiejin。tongguoshiyongweitiepiantianxianzhenliezhongdemeigefushezhenziyinrudeshuangcaojiegouyijikuidianwangluoanpaizhongdekuidianweizhi，zhezhongdaikuanhaikeyijinyibuzengjia。

 

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。

 

每(mei)個(ge)接(jie)收(shou)天(tian)線(xian)振(zhen)子(zi)的(de)方(fang)向(xiang)性(xing)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)
，其(qi)中(zhong)每(mei)個(ge)振(zhen)子(zi)都(dou)必(bi)須(xu)有(you)指(zhi)向(xiang)，以(yi)便(bian)最(zui)大(da)增(zeng)益(yi)波(bo)瓣(ban)被(bei)指(zhi)向(xiang)發(fa)射(she)天(tian)線(xian)
，從(cong)而(er)優(you)化(hua)接(jie)收(shou)能(neng)量(liang)大(da)小(xiao)。能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)係(xi)統(tong)的(de)接(jie)收(shou)天(tian)線(xian)選(xuan)擇(ze)的(de)是(shi)3dB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)。

 

zukangpipeishenzhibiaomiandianliudeliudongduizhezhongtianxianlaishuodouhenzhongyao。lilunshang，chuanguotianxianxitongbutongbufenchuanshudediancibokenengyudaozukangfangmiandechayi。yinciyoubiyaotongguopipeiguochengjiangtianxiandeshuruzukangzhuanhuanweiyuchuanshuxianxiangtongdezukangzhi
，yeyincizaizukangfangmiantianxianbixuyuzhengliudianlujichengzaiyiqi。meiyouhaodezukangpipei

，yixiebodenengliangjiangbeifanshe

，zhengliudianlujiangmeiyouzugoudenengliangzhuanhuanweizhiliudianya。

 

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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