5.8 GHz具有谐波抑制功能的天线设计*

崔 鹏，陈凯亚，廖 成

0 引 言

随着科技的迅猛发展，无线网络电子产品的小型化已然成为一种发展趋势，而传统电池的尺寸和容量越发难以满足电子产品的使用需要，有线充能的方式局限性太强。因此，小型化电子产品的无线输能成为的研究热点之一。接收整流天线作为微波无线输能系统中最关键的部件之一，主要由接收天线和整流电路两部分组成，作用是将接收到的微波能量转换为输出直流能量，供用户使用，结构如图1所示。

图1 传统整流天线结构

图1 中，低通滤波器主要有3个作用：一是保证基频顺利通过，而其他频率分量不通过；二是阻止整流二极管产生高次谐波；三是满足滤波器与接收天线之间的良好匹配。然而，滤波器和接收天线间的损耗不可避免，且微带滤波器必然会增加前端电路的尺寸和设计的复杂性，所以研究者们开始致力于研究结构简洁紧凑且具有谐波抑制功能的天线，从而降低输出损耗、设计成本和设计复杂度[1-3]。现在谐波抑制微带天线的设计方法大多使用PBG结构和DGS结构实现[4]，文献[5]通过在圆形缝隙天线中心挖圆形孔的方法抑制高次谐波，文献[6]通过在微带馈线45°和135°处开V型锯齿的方法有效抑制二次和三次谐波，成功缩小了天线尺寸，文献[7]则设计了2个SIR结构分别抑制2.45 GHz的二次和三次谐波，缩小了天线尺寸。图2为具有谐波抑制天线的整流天线结构。

图2 具有谐波抑制天线的整流天线结构

该结构要求谐波抑制天线同时具备接收天线和滤波器的功能，即天线在谐波频率位置的回波损耗大于等于-3 dB。同时，考虑到整体系统的效率提升，该天线应具有窄带宽特性，以防止其他频率分量被天线接收，导致天线因失配产生损耗而降低总体效率。同时，鉴于5.8 GHz相较2.45 GHz的特点，使其在能达到传输效率的同时具有尺寸小、成本低、易于搭载设备的特点，本次设计基于上述要求，结合SIR结构，设计了一款5.8 GHz的接收天线。该天线通过引入SIR结构，能够实现在二次谐波位置回波损耗大于-3 dB，且带宽仅有120 MHz。

1 SIR基本结构

SIR（阶梯型阻抗谐振器）是利用不同特性阻抗的传输线实现谐振的一种结构。寄生通带作为微波滤波器特有的一种指标，其结果是在设计通带以外的某些频率，通常是通带中心频率的整数倍处产生通带。在滤波器设计中，使用非均匀线谐振器即SIR结构作为滤波器，可以有效解决这些问题。

SIR是由两个以上具有不同特性阻抗的传输线组合而成的横向电磁场或准横向电磁场模式的谐振器。图3给出了采用带状线结构的准横向电磁场谐振器的典型例子。图3（a）采用的是终端短路结构；图3（b）采用的是开放端点结构。

图3 典型SIR结构

假设传输线开路端和短路端之间的阻抗特性分别为z1、z2，等效电长度为θ1、θ2，则定义阻抗比为：

可以通过改变阻抗比来改变寄生频率，从而使基波的倍频处不发生谐振。因此，SIR结构在天线上的应用已经开始受到重视[8]。本次设计是基于SIR结构在滤波器中针对寄生通带问题的良好表现，将阻抗匹配、馈线和天线贴片整体设计，以达到抑制二次谐波的效果。

2 天线设计及仿真结果

2.1 天线设计及优化

天线贴片设计在20 mm×26 mm×1.1 mm的矩形介质基板上，基板材料Taconic TLX-8，介电常数2.55，损耗角正切为0.001 9，贴片选择0.035 mm的铜片。天线正面结构如图4所示，背面采用全覆盖的铜板作为接地板。

图4 天线正面结构

图4中天线为本次设计的具有谐波抑制功能的微带天线。此结构相当于一个50 Ω的匹配微带线接上一个SIR结构。连接天线的馈线宽度为1 mm，与天线构成一个SIR结构，构成一个滤波器。天线的长度决定了其中心频率为5.8 GHz。

本次设计中，天线的馈线嵌入深度p和天线馈电处开槽宽度d是影响天线在谐振点性能的主要因素。因此，对嵌入深度和开槽宽度对天线性能的影响进行了深入探究。图5给出了嵌入深度为3 mm、4 mm、5 mm时天线的S11参数图。

图5 嵌入深度p对天线S11的影响

从图5可以得出，馈入深度对天线谐振点位置的影响微小，但对天线在谐振点的匹配效果影响极大。经反复优化，最终确定当嵌入深度为4 mm即p=4时，天线在5.8 GHz处S11可达约-32.36 dB，且能够抑制在后续10～11 GHz频段处曲线的下降程度。

图6给出了开槽宽度为3 mm、4 mm、5 mm时天线的S11参数图。

图6 开槽宽度对天线的影响

由图6中的曲线对比可以发现，随着开槽宽度d的增加，天线的谐振点位置受影响同p一样微小，而对于谐振点处的S11影响同样明显。经优化调试，确定在开槽宽度d为4 mm时，综合天线在5.8 GHz的S11参数和在后续频段曲线变化，天线有最佳的表现。

图5采用微带形式馈电，经过优化，矩形贴片边长16 mm，贴片宽度15.38 mm，馈线嵌入深度为4 mm，馈线宽1 mm，50Ω匹配微带线宽3.12 mm，长5.6 mm。相较于此基板下的普通5.8 GHz矩形贴片天线，其尺寸更小，性能更好。

表1 天线最终优化尺寸参数

2.2 天线的仿真结果

天线优化后的最终S11参数如图7所示。

图7 优化后的具有谐波抑制的天线S11参数

图7 给出了同材料设计的5.8 GHz矩形贴片天线和本次设计天线的对比。可以看出，该带有SIR结构的天线确实可以抑制二次谐波，从而实现传统接收天线和低通滤波器的性能合并。天线第一谐振点约为5.8 GHz，带宽为120 MHz，天线在谐振点处S11为-32.36 dB，说明此天线结构已经达到了很好的匹配。相较传统天线，该天线在6～10 GHz频段内，天线的S11曲线改善明显，且在第一寄生谐振点位置11.6 GHz附近，其S11仅为-2.5 dB，成功抑制了二次谐波。图8为天线在5.8 GHz处的XOZ、YOZ、3D方向图。

从图8（c）中可以看出，该接收天线的方向性系数为6.655 dBi。可见，天线的辐射性能和普通天线基本相同，在S参数上有效抑制了二次谐波，实现了低通滤波器和接收天线的性能合并。

图8 5.8 GHz处天线的方向图

3 结 语

在2.45 GHz的谐波抑制天线基础上，对SIR结构进行探究，并成功应用于5.8 GHz，设计出了具有谐波抑制功能的矩形贴片天线。该天线在5.8 GHz谐振处S11为-32.36 dB，带宽仅为120 MHz，辐射效能和普通天线没有差别，但在二次谐波处S11仅为-2.5 dB，有效抑制了整流电路中由整流电路产生的二次谐波，很好地实现了5.8 GHz下传统整流系统中接收天线和低通滤波器部分性能的合并，从消除天线到滤波器、滤波器自身的损耗和提升天线自身效率两部分出发，提高了整流效率。此外，该设计减小了天线的尺寸，进一步减小了整流系统的尺寸，为后续小型高效率的整流系统和阵列设计提供了新思路。

[1] Radisic V,Qian Y,Itoh T.Broadband Power Amplifier Integrated with Slot Antenna and Novel Harmonic Tuning Structure[C].Microwave Symposium Digest,1998 IEEE MTT-S International,1998:1895-1898.

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[8] Guo J,Zhu X.An Improved Analytical Model for RF-DC Conversion Efficiency in Microwave Rectifiers[J].IEEE MTT-S International Microwave Symposium digest,IEEE MTT-S International Microwave Symposium,2012:1-3.