基于TRIZ创新方法的微带天线阵列设计

苏 飞，孙智阳

（天津理工大学电气电子工程学院，天津300384）

美国、日本、中国台湾地区在20世纪60年代就出现了以发明问题解决的理论（teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch，TRIZ）为基础的研究，一些大学将TRIZ列为工程设计方法学课程。在俄罗斯，TRIZ理论一直被作为大学专业技术必修科目，而且还设置有TRIZ理论的研究生专业方向。在美国、北欧等国家的许多院校也都分别开设了创新教育或类似课程，这些大学都将TRIZ理论列为工程设计方法学的核心课程，以培养学生创造性解决问题的思维和能力。经过半个多世纪的发展，如今TRIZ理论和方法已经发展成为一套解决实际问题的成熟理论和方法体系。在激活学生的思维、强化创新意识、改善教学方法与手段、训练学生创新思维等方面，逐步引导学生采用TRIZ理论中40个发明创造原理，为学生提供联想思维、想象思维、灵感思维和相互启发的平台。但由于我国大学生创新活动的自身特点，此项工作在我国研究起步较晚，目前进行的探索性研究并不多，已有的报道仅限于部分省市将TRIZ应用于课堂启发性教学方面，并表现出了良好的效果[1-2]。

天津大学机械工程学院开设创新课程后，经过计算机辅助创新软件和理论培训的3名工业设计专业大学生在2004年举办的全国大学生第三届“创新杯”设计大赛中，运用CBT/NOVA中提供的TRIZ理论的创新原理和技术系统进化法则等工具，借助于Pro/Innovator软件，解决实际设计过程中遇到的难题，设计出“城市乌篷”方案，以其造型新颖、结构富有创新性，一举夺得设计大奖并获得了专家的高度评价。通过40个学时的培训，有20余名大学生在校期间申请了专利。北方工业大学在运用CBT/NOVA中提供TRIZ理论的创新原理和技术系统进化法则等工具，借助Pro/Innovator软件，对创新大赛中关于网球拾球器的概念设计难题提供了诸多解题思路，并获奖。此外，南京理工大学，华南农业科技大学等为数不多的高校对创新方法在大学生创新实践中的应用，同样进行了初步尝试和研究。课题组通过该项目的研究，初步探索出了一些有价值的结果，主要有：一是在大学生创新实践计划项目实施中对创新方法有需求上的紧迫性；二是明确创新方法完全适合在支撑计划创新领域应用；三是在大创实践领域适度开展了创新方法的普及和传播，初步培养了一支创新的团队；四是在部分领域开展了试点工作，取得了良好的效果。同时也分析出，这些结论在一定程度上是点对点尝试应用基础上得到的，而科研实践和TRIZ创新方法结合的理论研究、项目计划管理研究和创新模式或规律研究尚未涉及[3]。

本文首先说明TRIZ与工程设计实践相结合的方法，以解决实际问题和发现创新点的基本原理；其次，基于TRIZ解决发明的基本流程，分别从定义最佳理想解、技术矛盾分析等多个工具详细说明如何进行问题的提出与描述、冲突矩阵的构建、发明原理的对应；最后给出最终方案[4-5]。基于TRIZ解决问题的流程如图1所示。

图1 基于TRIZ解决问题的流程Fig.1 Flow of solving problems based on TRIZ

TRIZ理论把问题归结为矛盾，将矛盾分成物理矛盾和技术矛盾。对于物理矛盾从时间、空间和物质理想状态分析寻求解决矛盾的方法；对于技术矛盾，利用TRIZ的矛盾分析工具形成矛盾矩阵，利用标准的39个工程技术参数及对应的40个发明原理，引导开发者发现关键参数和解决问题的方法[6-7]。无线传能技术中最核心的部分是对整流天线的设计，国外对于整流天线的研究起步较早，我国于1994年才开始重视无线传能技术，目前对微带整流天线的设计还不完善[8-10]。

本文把TRIZ应用于无线传能领域的天线设计中，目标是实现远距离、高效率的电磁波能量传输。首先通过TRIZ工具分析得到影响无线传能的关键参量，然后借助HFSS实现天线的设计、仿真、测试和优化。

1 TRIZ方法应用

1.1 项目背景

随着信息时代的发展，手机成为绝大多数人进行沟通和获取信息的工具，是当今人类与外界沟通的重要媒介，但对手机进行充电以保证其工作的同时还要保证使用手机的可移动性成为了一个难题。在使用传统有线充电方式和磁耦合式无线充电方式进行充电中，手机不能进行自由移动，若想提高充电时的可移动性，需要增加无线充电的传输距离。充电装置分为接收装置与发射装置两部分。发射机通过传感器在空间内智能寻找接收机的位置，随后用微波式传电方式对这个位置进行集中输电，输电距离可以满足居家环境的充电需求。促进人工智能更容易融入生活，实现万物互联。在发送和接收系统中，天线的设计至关重要，本项目借助TRIZ创新工具实现高发射和接收效率天线，按照问题分析、IFR定义、功能分析定义矛盾、借助发明原理和物场分析寻找解决方案。

1.2 最佳理想解（IFR）分析

首先，根据天线传输效率的公式来定义IFR，公式表示为：

式中，d为接收端与天线之间的距离；λ为电磁波波长；GT为发射天线增益；GR为接收天线增益。

IFR定义p为最大，因此，设计最终的目标是d=0，Lfr=0，即无损耗无限远无线电能传输。显然在实际传输环境中无法做到无损耗即Lfr≠0。经过头脑风暴分析，初步得到电能、空气、智能系统是可以改善系统性能的资源要素，而设计目标是智能系统。IFR排除限制条件，以明确理想解的方向，保证了问题解决中沿此思路进行，IFR分析如表1所示。

表1 IFR分析Tab.1 IFR analysis

1.3 系统功能分析

微波无线传能系统一般由3部分构成，即发射天线、整流天线和负载。整流天线系统中除了接收天线还有可抑制高次谐波的低通滤波器、决定整流效率的整流二极管和直通滤波器这4部分，组间相互作用如表2所示。

表2 组间相互作用表Tab.2 Inner group co-function

为了更好地用TRIZ分析整流天线功能模型如图2所示。由于本文只设计接收天线，所以重点分析和接受天线有关的对象。

图2 整流天线功能模型Fig.2 Function model of rectification antenna

基础模型图，重点挖掘的矛盾问题有3个：

问题1：发射天线和接收天线之间受空间环境、收发天线的匹配等因素影响，导致单元收发天线之间的传输效率过低。根据TRIZ理论，将其定义为不足。

问题2：接收天线和外部结构的相互限制。天线尺寸越大，负载得到的能量越多，但由于外部结构将接收天线固定时限制了天线的尺寸，这极大影响了能量传输。

问题3：接收天线和低通滤波器之间存在阻抗匹配问题，且在低通滤波器滤除高次谐波的同时会引入其固定的接入损耗，影响能量传递。

1.4 物场模型和标准解

利用TRIZ理论的物场分析，建立不充足场模型，如图3（a）所示，并通过查找标准解在物质S1或者S2内部引入一种添加物S3来解决问题，最终确定解决方案为将接收天线组成阵列，即增加相同的单元天线，充足场模型如图3（b）所示。

图3 物场模型Fig.3 Substance-field model

1.5 技术矛盾

针对问题2，利用TRIZ理论的技术矛盾分析，结合40个发明原理，通过问题分析，将问题2的通用工程参数定义为系统复杂性和能量损失，查阅矛盾矩阵得出的解决发明原理如下：序号35为改变参数，改变物理状态或其他参数，天线大小和频率呈负相关，故将频率选定在合适范围减小天线尺寸。

针对问题3，同理将工程参数定义为系统可靠性和功率。基于矛盾矩阵，筛选可能采用的发明原理，序号11为预先应急措施，事先准备必要的措施以便应对因物体性能不稳定而造成的麻烦，即增加反馈系统。但在本设计中不予考虑反馈系统的设计；序号26为仿制，用廉价的仿制品代替不易得到的材料。即将微带天线设计为SIR结构代替低通滤波器，或用现有集成芯片实现整流滤波功能。考虑到天线成本问题，不予采纳此方法。

综上所述，将本设计定为工作于5.80 GHz的微带天线，后续可考虑用带有反馈系统的滤波整流芯片与微带天线相结合的方式。

2 5.8 GHz微带天线的设计

2.1 单元天线的设计

根据相应的理论分析，在本次设计中，将天线设计在60 mm×60 mm×1.60 mm的材料为FR-4矩形介质基板上，贴片材料为铜片，介电常数εr=4.4，损耗正切角tanδ=0.02。天线初步设计参数如表3所示。

表3 天线初步设计参数Tab.3 Initial parameters of antenna

通过HFSS仿真进一步确定天线长度和宽度对天线性能的影响。通过不断优化得到天线最终参数，如表4所示。

表4 天线最终参数Tab.4 Final parameters of antenna

设计得到天线性能如图4所示。

图4 天线性能Fig.4 Performance of antenna

可以看出，在5.80 GHz时，S11值为-50.36 dB，说明此天线性能较好，天线工作带宽为202 MHz。输入阻抗为（49.943 0-j0.297 7）Ω，天线结构已经达到良好匹配。

2.2 阵列天线的设计

基于本次设计的单元天线，可将天线设计为串并结合的馈电阵列，与单元天线相比，馈电方式发生变化，改为探针馈电的方式。在组阵列时，各单元天线之间存在互耦效应，以及两者的输入阻抗也不同，将导致天线单元在天线阵中的方向图发生改变，为了解决互耦效应，单元天线之间间距大小的设置尤其重要。经过68次优化，确定阵列天线的最终参数如表5所示。

表5 阵列天线的最终参数Tab.5 Final parameters of array antenna

设计得到天线阵列性能如图5所示。

图5 天线阵列性能Fig.5 Performance of array antenna

由图5（b）可看出在5.80 GHz时，输入阻抗为（50.412 4-j4.971 3）Ω，已经达到良好的匹配。

2.3 天线实物制作

制作的天线实物及实测如图6所示。由于加工条件的限制，难免与理想模型有一定差距。

图6 天线实物及实测Fig.6 Real-made antenna and measurement

一方面是由于加工制作时产生的误差，另一方面是由于测试设备的限制，如实验环境中存在噪声及各种干扰因素。由图6测试结果可以看出，在谐振频段内，此阵列天线满足设计要求。

3 结论

本设计基于TRIZ理论的最佳理想解和系统功能两种分析方法，推导出设计无线传能中微带天线的3个重要参量；其次，设计了一种中心频点为5.80 GHz的嵌入式微带贴片单元天线，微带线馈电。经过HFSS优化，仿真结果显示天线除方向性外其余指标性能良好；第三，设计出同轴馈电串并结合式阵列天线；最后，经过仿真优化，天线的方向性得到极大改善。实物测试结果表明，设计的阵列天线满足整体设计要求。