一种超宽带能量收集整流天线设计

薛 亮，白 雪，徐雷钧

(江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江 212013)

0 引言

无线通信技术日新月异，已经成为人们日常生活的一个组成部分。人们可以很容易接收到电视、蜂窝网络和Wi-Fi 信号。通过射频能量收集技术，这些信号可以为一些低功耗设备供电。因此，射频能量收集被认为是一种越来越重要的技术[1]。射频能量收集的原理是通过天线接收空间无线电磁波，对无线电磁波能量进行整流，转换成直流能量储藏在大电容中，从而实现能量获取的目的[2]。随着5G 的普及，环境中的频谱资源日益丰富，作为接收射频能量的天线受到广泛关注[3-4]。同时，能够覆盖多频率范围的宽频天线成为人们的研究热点[5]。

文献[6]在0.85～1.94 GHz 的频段内有较好的性能但带宽很窄；文献[7]通过给天线开槽，实现宽带；文献[8]通过增加介质层数，实现宽带；文献[9]则采用阵列天线实现宽频，但结构复杂，占用面积大，设计难度增加。文献[10]中频宽为1.7 GHz，整流电路效率仅为8%，而文献[11]中，频宽0.3 GHz，整流效率却提高到了15%。文献[12]设计了一种改进型双槽天线，带宽为0.866～1.41 GHz 和1.7～3 GHz。文献[13]设计了一种新型三分支整流电路，最大整流效率为61.7%。文献[14]设计了一种双频段带通LC 实现双频化。文献[15]设计了一种新型三分支整流电路，最大整流效率为61.7%。因此，需要从多个窄频带做整流电路，而不是从整个宽频带。本文设计了一款能够覆盖3G、4G、Wi-Fi 频段的宽频高增益天线，在天线的接地板通过开圆形槽的方式，增加天线带宽，另一方面，提高了天线在工作频段内的增益。该天线在1～14 GHz 时S11＜-10 dB，在最大辐射方向增益可达6.26 dBi。天线在整个工作频段内特性稳定，在宽带范围内可进行能量收集。并且在性能最佳的2.4 GHz 频带内在天线上做整流电路，设计了一款小型化高转换效率整流天线。

1 天线结构的仿真设计

本文设计的天线结构和尺寸如图1 所示，天线印制在一块厚度为1.6 mm，介电常数εr=4.7 的FR4 基板上。天线正面的圆形贴片为辐射单元，馈电采用了侧馈的形式，由圆形贴片引出一条微带线。天线的背面通过开圆环槽的方式，在辐射贴片上激励出更大的电流，增大辐射。

图1 天线结构示意图

最终设计的天线整体尺寸为50 mm×50 mm×1.6 mm，经过HFSS 软件优化仿真后，得出了天线的最终尺寸：W=50 mm，L=50 mm，R1=9.2 mm，R2=21.5 mm，R3=6 mm。天线的工作频段为1～14 GHz。图2 为开槽前后S11参数的对比图，可以从图中看出，-10 dB 阻抗带宽从未开槽的窄带展宽到了13.2 GHz。

图2 开槽前后S11 变化图

为了分析地板开槽对天线性能的影响，图3 给出了天线圆形贴片在2.4 GHz 时的表面电流分布图。通过对开槽前后电流分布以及大小对比分析：在2.4 GHz 时，开槽对电流分布影响较小，开槽的主要影响为激励出更大的表面电流。这说明，开槽之前天线的信号吸收效率低，辐射性能差；而开槽后，能够较好地提高天线的性能。综合图2 和图3 可以看出，不仅天线的带宽得到扩展，天线的辐射性能也得到了提升。

图3 开槽前后辐射贴片表面电流分布

图4 为开槽天线增益仿真结果图，在低频1～4 GHz范围，天线的E 面和H 面方向性较好且在H 面为全向，E 面为“8”字型辐射，具有很好的对称性。在高频段5～14 GHz 的频段内，天线的最大方向增益虽然有所提升，但是方向性变差。

针对射频能量收集天线来说，方向性良好的接收天线可以尽可能多地收集环境中的射频能量。从图4(a)可以看出，虽然此频段的辐射效率稍低(最大辐射方向增益为6.26 dBi)，但是在X-O-Y 平面表现出良好的全向性，有利于在多样性的环境能量分布中，更好地满足实际需求。

图4 开槽天线增益图

2 整流电路仿真设计

整流电路用于将天线接收到的电磁波能量(RF)转换为直流电能(DC)。整流电路的主要设计目标是在一定的功率和负载下获得最大的转换效率。肖特基二极管由于较低的导通电压、较大的反向击穿电压和低功耗，常被选为微波整流器件。使用SMS7630 作为整流二极管，该肖特基二极管具有较低的开启电压，十分适合用于射频能量收集。本设计采用二倍压整流电路,获取较高的输出电压，如图5 所示。

图5 二倍压整流电路拓扑图

假设输入射频信号为Vin，该信号在负半周时，D1 进行整流，能量储存在C1中，正半周时，D2 进行整流，能量储存在C2中，在下个周期开始时，电容C1中储存的能量会传输到C2中，给负载RL供电。输出电压可用式(1)表示。其中Vout为负载两端电压，VD为二极管正向导通电压。使用过多的整流二极管，会导致整流效率降低。

图5 中C2起到滤波作用，确保负载上只有直流信号通过。使用ADS 仿真软件对二极管进行谐波平衡仿真，确定整流电路的最佳负载以及输入阻抗。最终确定负载RL=1.2 kΩ，C1=C2=1 nF。在频率为2.4 GHz、输入功率为2.3 dBm 下，此时整流电路的输入阻抗为118.5-j52.95 Ω。

匹配电路用分立器件T 型匹配，如图6 所示，其中L1=5.5 nH，L2=9.4 nH，C1=0.85 pF。利用史密斯圆图进行匹配后，可通过式(2)进行RF-DC 效率的计算。

图6 T 型匹配电路图

其中η 表示转换效率，VOUT指负载RL两端电压，Pin表示输入的射频能量。

图7 为匹配后的整流效率，在输入功率为2.3 dBm 时，整流效率最高为71%。

图7 整流效率图

3 实物测试分析

单独测试天线部分：用矢量网络分析仪测量天线的反射系数与仿真结果进行对比如图8 所示。从图中可以看出：测试结果与仿真结果吻合较好，实测图在工作频段内有稍有偏差，存在偏差的主要原因是测试环境、SMA 街头的焊接、天线加工的尺寸精度和介质基板介电常数不均匀等因素。但实测结果与仿真结果总体吻合良好，偏差在可接受范围内。图9 为一体化整流天线实物图，在经过调试后，匹配电路中的L1=5.5 nH，L2=9 nH，C1=0.8 pF。

图8 反射系数仿真实测对比图

图9 整流天线实物图

整流天线系统测试图如图10 所示，射频源发出一个2.4 GHz、输入功率为-10 dBm～15 dBm 的信号，通过增益为13 dBi 的标准喇叭天线发射信号，整流天线在距离发射天线0.3 m 处接收信号，在调整到整流天线最大辐射方向时，在10 dBm 时有最大输出电压为2.61 V，转换效率为56.76%。图11 为不同输入功率下的转换效率。

图10 整流天线系统测试图

图11 转换效率图

4 结论

本文设计了一款地板开槽超宽带天线，该天线采用侧馈结构，具有结构简单、加工制作容易、性能良好、易于微波电路集成等优点。通过采用圆环型地板开槽的方式，使天线在宽带有较好的阻抗带宽。该天线在2.4 GHz时，有良好的方向性以及较高的增益。该天线在低频(1～4 GHz)可用于环境的射频能量收集，在实验室环境下，2.4 GHz 时最大转换效率为56.76%，对应的最大输出直流电压为2.61 V。在高频(5～14 GHz)可用于稍远距离的能量传输。