基于DGS滤波器的低功率整流天线设计

刘双兵

（巢湖学院电子工程与电气自动化学院，安徽 巢湖 238000）

1 引言

无线能量传输 （wireless power transmission,WPT）[1]在空间太阳能、无线电子技术等领域具有广阔的应用前景。整流天线（rectifying+antenna,rectenna）接收微波电磁能量并将其转化成直流电能，是无线输能系统中非常关键的组成部分之一。典型的整流天线包括接收天线、肖特基二极管、滤波器和负载，结构框图如图1所示。

图1 整流天线结构框图

当前，无线传感器网络、射频识别、智能手机等无线系统由于受到电池寿命的影响而一定程度上限制了其应用[2，3]。无线输能可为无线系统进行远距离无线供能，因而成为国内外研究热点。对于较高输入功率（50dBm左右）条件下整流天线研究较多，其整流效率达到了70%以上[4，5]；而对于低输入功率（0dBm左右）条件下整流天线的研究较少，其整流效率较低，通常只有35%左右[6，7]。其中一个关键因素就是整流二极管产生的高次谐波被天线再辐射或通过直流负载而被消耗。因此，对于高效率整流天线，需要借助滤波器将其反射回整流二极管而再次整流，以提高整流效率，这对于低功率条件下的整流天线显得尤为重要。

大量文献指出，缺陷地结构（Defected Ground Structure，DGS）滤波器具有宽阻带特性[8，9]。 缺陷地结构是一种在平面微波传输线的接地板上蚀刻出非周期或者周期性状的结构，改变接地板上的电流分布，获得滤波器需要的分布电容和分布电感特性，以得到宽阻带滤波器，且由于是在接地板上加工，无需添加额外的电路结构，较好地改善了滤波器性能，扩展其应用。在本文中将其应用于整流天线设计，充分利用该类型滤波器的宽阻带特性，以有效地抑制基波和高次谐波。

本文提出了一种基于DGS滤波器的5.8GHz整流天线设计。接收天线是缝隙耦合微带天线，具有一定的阻带特性,在接收天线与整流二极管之间无需外接图1所示的低通滤波器，从而可以较好地抑制2次及其以上的谐波，减小了整流天线的几何尺寸；另外，本设计中在微带天线的接地板和辐射基片之间加入一层泡沫材料介质层，提高了天线的增益，使得接收天线在相同功率密度环境中获取更多的微波能。应用HFSS软件对该缝隙耦合馈电微带天线进行了仿真设计，天线增益达到了8.2dB，且在二次和三次谐波频率处，天线的反射系数较高，体现了其谐波抑制功能。DGS直通滤波器的HFSS仿真设计结果证实，该滤波器的阻带较宽，可以有效抑制基波和整流二极管产生的高次谐波。应用ADS软件对整流天线进行了仿真优化，结果表明，在输入功率为3dBm，负载阻抗为1200Ω条件下，整流天线的微波-直流转换效率达到了51.8%，输出直流电压达到了 1.1V。

2 接收天线设计

缝隙耦合馈电微带天线如图2所示。该天线包含三层介质层，厚度分别是h1，h2和h3，相对介电常数分别是εr1，εr2和εr3。辐射贴片蚀刻在顶层介质层上表面，馈电微带线在底层介质层下表面，开缝隙接地金属板在中间层和底层介质板之间。中间层是由泡沫材料组成的介质层，可以一定程度上提高天线增益。微带天线的几何参数如图2（c）所示。

图2 微带天线结构：（a）结构示意图，（b）剖面图，（c）俯视图

微带天线采用缝隙耦合馈电方式，较好地隔离馈电电路和辐射贴片，其作用体现在两个方面。其一，使得天线具有较宽的阻带特性，在整流电路和接收天线之间无需连接低通滤波器，减小了整流天线的几何尺寸；其二，整流电路对天线的辐射性能影响较小。应用HFSS软件对该缝隙耦合馈电微带天线进行仿真，设计出高增益接收天线，可以在低输入功率密度条件下获取更多的微波能量。微带天线的顶层和底层的相对介电常数均为 2.2，厚度均为 0.508mm，介质损耗角正切均为 0.0009。 中间层是相对介电常数为 1.07、厚度为 3.2mm的泡沫材料层。几何尺寸为lp=18.3mm， ws=1.97mm， ls=14.5mm， l=21.15mm，w=1.56mm， Δl=4.17mm。

图3 天线反射系数

图4 天线辐射方向图

缝隙耦合馈电微带天线的HFSS仿真得到的天线反射系数如图3所示，谐振频率为f0=5.8GHz，S11=-43dB，在 2f0和 3f0处 S11分别为-2.1dB和-4.6dB，表明该天线是一种谐波抑制天线，二次和三次谐波基本上不能通过天线再辐射，减少了微波能量的损失。缝隙耦合微带天线HFSS仿真得到的天线辐射方向图如图4所示，天线增益达到了8.2dB。相比于传统的微带天线，增益提高了2dB左右。

3 DGS直通滤波器设计

直通滤波器在整流电路中置于整流二极管和直流负载之间，用于阻止基波和高次谐波传输到直流负载而消耗，并反射至整流二极管进行再次整流，可有效降低微波能量的损失，提高整流天线的微波-直流转换效率。DGS直通滤波器的结构图如图5所示，其中虚线框表示接地板上蚀刻的三个哑铃状缺陷结构，这种结构改变了微带线的分布电感和分布电容，使具有DGS的微带线表征出带阻特性；其中两个十字型开路枝节进一步抑制高次谐波传输，展宽了传统哑铃状DGS滤波器的阻带宽度。应用HFSS软件对其进行仿真设计，在几何参数分别为b=4mm,c=5.5mm,g=0.5mm,d=2mm,w=1.56mm 时，获得较好结果，其S参数如图6所示，在基波及二次、三次和四次谐波频率处，反射系数 S11分别为-0.3dB，-0.9dB，-0.8dB 和-2.9dB， 透射系数 S21分别为-39.5dB，-27.2dB，-20dB 和-32.2dB， 充分说明该滤波器允许直流通过，而能阻止基波和高次谐波传输通过，体现出良好的直通滤波器特性。

图5 DGS直通滤波器结构

4 整流天线的仿真优化

图6 S11和S21随频率变化曲线

整流电路位于接收天线的底层下表面，与天线辐射贴片分立于接地板两侧，这种结构可以消除整流电路对天线辐射性能的影响，其结构图如图7所示。设计时，天线和整流电路的输入阻抗均以50Ω进行匹配。整流二极管采用肖特基HSMS2860，以并联形式接入电路中，采用ADS谐波平衡仿真方法，得到频率为5.8GHz，输入功率为0dBm，输出端直流负载为1200Ω时，该肖特基二极管的输入阻抗为 Z=13.1-j*44.3Ω。整流电路设计时，通过调节图7中l3的长度，消除二极管的阻抗虚部，再优化l2和l1的长度和宽度，使得整流电路的输入阻抗为50Ω，以达到整流电路与接收天线输入阻抗的匹配。

整流天线的ADS仿真模型如图8所示，其中接收天线的S11参数以s1p文件形式导入ADS软件DAC元件中，DGS直通滤波器的S11和S21参数以s2p文件形式导入ADS软件S2P元件中，并最终实现整流天线在0dBm输入功率条件下的 ADS 仿真和优化。 在 l1=6.69mm，w1=1.56mm，l2=10.04mm，l3=7.34mm，Rl=1200Ω 时，获得最优化结果，输出端信号的直流和各次谐波功率分布如图9所示。然后对输入功率在-10～15dBm范围进行参数扫描，仿真得到整流效率和输出直流电压与输入功率关系如图10所示。

图7 整流天线结构图

图8 整流天线的ADS仿真模型

图9 输出端信号的各次谐波分量

图10 整流效率和输出直流电压与输入功率关系

从图9可以看出，在0dBm输入功率条件下，输出端获得7.7dBm的直流电压，而基波和各次谐波电压功率都低于-34dBm，充分证实了DGS直通滤波器对基波和各次谐波信号进行了有效抑制，图10显示出整流天线的整流效率在3dBm输入功率时的微波-直流转换效率为51.8%，直流负载两端电压为 1.1V；在 0～7dBm 输入功率范围内，整流电路的转换效率均在50%以上。这些特性极大地提高了整流天线在低功率密度环境中的应用。

5 结论

本文设计出一种基于DGS滤波器的5.8GHz整流天线。接收天线采用增益达到8.2dB的缝隙耦合馈电微带天线，该天线具有谐波抑制功能。DGS直通滤波器有效地阻塞了微波信号传输至直流负载，进而减小了微波能量的损失。在3dBm输入功率、负载阻抗为1200Ω条件下，整流天线达到了51.8%的最高整流效率和1.1V的直流输出电压。这一整流天线可以应用于低功率条件下电子设备供能中。为进一步提高整流天线的实用性，有必要对宽输入功率的高效率整流天线开展研究。

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