一种双频射频能量接收天线的设计∗

张 凯 吕 健

（江苏科技大学电子信息学院 镇江 212003）

1 引言

当前无线通信技术的发展以及物联网技术的兴起，使得无线传感器网络得到了更为广泛的应用［1～2］。由于人们生活周围存在大量的无线电波信号，因此研究射频能量收集技术解决无线传感器节点供电问题有非常好的可行性。这种能量收集技术未来会催生许多的“绿色”电子设备［3］，这非常符合国家大力发展绿色能源的要求。射频能量收集系统主要由接收天线、输入滤波电路、用于将射频能量转换为直流电能的整流二极管和输出滤波电路构成［4］。接收天线主要有微带天线、平面印刷偶极子天线、单极振子天线［5～7］等形式。现阶段对接收天线的研究重点主要是接收天线的工作频段（多频段）、频带宽度（宽频化）以及天线的尺寸（小型化）［8～10］。文献［11］提出一种采用CPW 技术、应用于手机的WLAN 双频天线，其主要结构为折叠型L-L，尺寸为10 mm×35 mm×1.2 mm，实现了天线的小型化及双频化应用；文献［12］提出一种适用于WLAN 的紧凑型双频天线，天线介质板正面为倒置“土”字型贴片，背面为开缝切角贴片，有较好的辐射全向性，最大增益为2.6 dBi，只不过该天线带宽较窄，不利于天线宽频化应用；文献［13］提出一种三频段单极子贴片天线，天线可同时工作在2.4/5.2/5.8Ghz 三个频段，其主要结构是2 个L 形支路，该设计重点研究了天线的多频化应用；文献［14］提出一种结构简单的6/9 形宽频带单极子天线，天线可工作在多个频段，同时在2.58GHZ和4.705GHZ这两个频段分别获得了14.8%（2.36GHz～2.73GHz），52.8%（3.46GHz～5.94GHz）的相对带宽（S11- ≤10 dB），该设计有效展宽了天线的频带宽度。

本文以单极子天线为基础，通过倒L 型结构和Hilbert曲线结构，提出了一种中心频率分别为2.45 GHz和5.8 GHz的双频单极子天线。该天线通过微带线实现馈电，使用FR4 材质，其相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02，厚度为1.6 mm。仿真结果表示，天线在两个频段工作特性良好，分别获得50 MHz（2430MHz～2480MHz）和360MHz（5630MHz～5990 MHz）的阻抗带宽（S11≤-10 dB），天线结构简单，总体尺寸只有18.9 mm×15.4 mm×1.6 mm，满足天线的小型化要求。

2 天线结构与原理

单极子天线因为其结构简单、易于制作、剖面低等优点得到了广泛应用，本文提出的双频单极子天线结构如图1所示。

图1 单极子天线结构图

设计天线前一般需要根据设计需求来选择合适的介质材料，介质材质的介电常数、损耗正切以及厚度都会对天线的性能指标产生一定的影响。介质层厚度增加，在一定程度上会展宽天线的工作带宽，但会造成天线尺寸的增加；介电常数代表介质层对场的束缚能力，数值高会使天线的带宽相对变窄同时会产生表面波，表面损耗增大，导致天线增益降低。综合考虑成本等因素，本文天线设计采用FR4 材质的介质基板。天线介质板上表面为单极子天线和微带馈线，左侧的倒L 型结构产生高频，使天线工作在5.8 GHz 附近，而右侧的Hilbert结构会在低频端引入低频谐振频率。通过三维电磁场仿真软件HFSS，不断优化天线的各项参数，最终获得双频单极子天线工作的中心频率分别为2.45 GHz和5.8 GHz，中心频率处S11≤-20 dB。

在该天线的设计中，由单极子天线的设计原理，估算出双频单极子天线的大概尺寸［15］。本文天线分别工作在2.45 GHz 和5.8 GHz 这两个频段，其自由空间天线波长计算公式为

由式（1）计算出在自由空间对应的波长分别为122 mm和52 mm。

其在介质中传播时，天线波长的计算公式为

由式（2）计算出相对应的波长分别为58.2 mm和24.8 mm。

双频单极子天线波的传播既经过自由空间也经过填充介质，因此实际波长是介于两者之间，由此最终得出天线的理论波长:在2.45 GHz 工作频段，14.6 mm ≤1/4波长≤30.5 mm；在5.8 GHz工作频段，6.2 mm ≤1/4 波长≤13 mm。其中，λ 为自由空间的波长，λε为介质中传播的天线波长，εr为介电常数，数值取4.4，c 表示光速，f 为谐振频率。综合考虑各项参数，天线的初始尺寸如表1所示。

表1 双频单极子天线初始几何尺寸参数

3 天线仿真、优化与分析

根据以上的模型参数，利用三维电磁场仿真软件HFSS对天线进行建模和仿真优化。在进行天线设计时，需要建立天线模型，设置介质层上下表面的金属片为理想导体边界条件，天线馈电面设置为集总端口激励，之后对天线进行性能仿真，优化天线的性能指标。

3.1 电路参数分析

天线性能受到各项参数的影响，本文使用控制变量法，通过只优化一种参数，保持其他参数不变的方法来分析该参数对天线性能的影响，从而设计出符合要求的最优参数的天线。由双频单极子理论可知，L2、L3、W1是高频臂的组成部分，主要影响天线的高频段；同理，L0、W2主要影响天线的低频段，下面将重点分析研究L2、L3、W1、L0、S等参数对天线的作用。

在HFSS 工程树下添加L2为扫描变量，设置变量L2的扫描范围为3mm～4mm，S11分析结果如图2（a）所示。由图可知，参数L2的改变主要对高频段有影响，低频谐振点位置几乎未发生改变，这验证了L2是高频臂组成部分的结论。随着L2数值的增大，可见高谐振频点往低频处偏移，同时也发现L2的改变对高低频带宽的改善没有明显作用。

设置参数L3的扫描范围，回波损耗S11分析结果如图2（b）所示，改变L3参数对天线的高频段影响较大，高频谐振频率随着天线臂长度变量L3的增大而减小，同时明显可以看出，当S11<-10 dB 时，高频段的带宽和匹配性能都有所变好，当L3=6 mm 时，中心频率在5.8 GHz，S11<-20 dB。

设置L0参数的扫描范围为6.5mm～7.5mm，步进为0.5mm。由图2（c）可知，改变L0参数对天线的高低谐振频点都会有影响。整体来看，随着L0增大，两个谐振点会同时往左侧漂移，由于L0是低频臂的一部分，所以可以看出该参数对低频谐振点影响更大。当L0=7.5mm 时，两个谐振点落在2.45 GHz 和5.8 GHz 附近，S11<-20 dB，工作中心频率符合设计要求。

设置S参数的扫描范围，回波损耗S11分析结果如图2（d）所示，微带线宽度的增加会使天线工作的中心频率往高频方向移动，同时带宽也会随着尺寸的增加有所改善，结合增大L0参数使谐振点往左侧漂移的特点，可以优化天线的带宽性能，同时使天线的中心频率在2.45 GHz和5.8 GHz。

图2 天线各参数对回波损耗的影响

最后通过HFSS 软件的优化算法设计，综合考虑各个参数对天线性能的影响，得到最终的天线尺寸参数如图3所示。

图3 双频单极子天线优化尺寸图

3.2 天线仿真结果分析

通过上述方法，设计了一个倒L 型和Hilbert曲线结构相结合的双频单极子天线，天线工作于IEEE 802.11a 和802.11b 两个工作频段，中心频率分别为2.45 GHz 和5.8 GHz。天线设计完成后，将对设计好的天线进行性能参数分析，本文着重分析研究了天线的回波损耗（S11）、驻波比、输入阻抗以及方向图等性能参数。

图4 天线仿真分析结果

图4 （a）是单极子天线S11扫频分析结果，由图可得，天线工作在两个频段，当S11≤-10 dB 的带宽分别为50 MHz 和360 MHz，且天线相对带宽分别为2.04%和6.21%，符合无线通信标准要求，能够满足射频能量收集器对周围环境中无线信号的收集。

图4（b）是天线的电压驻波比分析结果图，图中可以看出，在2.45 GHz 标记点处，VSWR=1.104，在5.8 GHz 处的值为1.103，驻波比数值都小于1.5，可以得出天线的微带馈线和天线的阻抗匹配良好，也一定程度上反应了天线接收信号的灵敏度高。

图4（c）是天线的输入阻抗值，实线表示输入阻抗的电阻部分，虚线则表示为电抗，由图中标记点可以看出，天线在两个工作频点处的输入阻抗与50 Ω的匹配阻抗值接近。

图4（d）是天线在5.8 GHz 的E、H 面增益方向图，实线为E 面（xz 面），虚线为H 面（xy 面）。由图可知，天线在此频率E 面的最大增益约为2.46 dB，此时Theta 和Ang 的角度都为130°；H 面的天线最大增益约为1.31 dB，此时Theta 和Ang 的角度都为150°。由于损耗和天线尺寸较小的缘故，天线的增益有待提高。

4 结语

本文在普通双频单极子天线的基础上，提出一种Hilbert 曲线结构的单极子天线来实现天线的双频工作。该天线尺寸小、结构简单、易于设计。通过对天线材质的选择，利用HFSS 三维电磁场仿真软件，对天线进行了结构设计和参数的仿真分析。对比分析了天线各尺寸参数对天线性能的影响，优化了天线设计。仿真结果显示，该天线工作于2.45 GHz和5.8 GHz两个频率，有良好的匹配特性，并且在高频的增益达到了2.46 dB。但该天线的工作带宽需要进一步的优化和拓展，同时该天线需要作出实物才能更好地去验证天线的性能和实用性。