基于DGS濾波器的低功率整流天線設(shè)計(jì)

劉雙兵

（巢湖學(xué)院電子工程與電氣自動(dòng)化學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

1 引言

無線能量傳輸 （wireless power transmission,WPT）[1]在空間太陽能、無線電子技術(shù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。整流天線（rectifying+antenna,rectenna）接收微波電磁能量并將其轉(zhuǎn)化成直流電能，是無線輸能系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的組成部分之一。典型的整流天線包括接收天線、肖特基二極管、濾波器和負(fù)載，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 整流天線結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻識(shí)別、智能手機(jī)等無線系統(tǒng)由于受到電池壽命的影響而一定程度上限制了其應(yīng)用[2，3]。無線輸能可為無線系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線供能，因而成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。對(duì)于較高輸入功率（50dBm左右）條件下整流天線研究較多，其整流效率達(dá)到了70%以上[4，5]；而對(duì)于低輸入功率（0dBm左右）條件下整流天線的研究較少，其整流效率較低，通常只有35%左右[6，7]。其中一個(gè)關(guān)鍵因素就是整流二極管產(chǎn)生的高次諧波被天線再輻射或通過直流負(fù)載而被消耗。因此，對(duì)于高效率整流天線，需要借助濾波器將其反射回整流二極管而再次整流，以提高整流效率，這對(duì)于低功率條件下的整流天線顯得尤為重要。

大量文獻(xiàn)指出，缺陷地結(jié)構(gòu)（Defected Ground Structure，DGS）濾波器具有寬阻帶特性[8，9]。 缺陷地結(jié)構(gòu)是一種在平面微波傳輸線的接地板上蝕刻出非周期或者周期性狀的結(jié)構(gòu)，改變接地板上的電流分布，獲得濾波器需要的分布電容和分布電感特性，以得到寬阻帶濾波器，且由于是在接地板上加工，無需添加額外的電路結(jié)構(gòu)，較好地改善了濾波器性能，擴(kuò)展其應(yīng)用。在本文中將其應(yīng)用于整流天線設(shè)計(jì)，充分利用該類型濾波器的寬阻帶特性，以有效地抑制基波和高次諧波。

本文提出了一種基于DGS濾波器的5.8GHz整流天線設(shè)計(jì)。接收天線是縫隙耦合微帶天線，具有一定的阻帶特性,在接收天線與整流二極管之間無需外接圖1所示的低通濾波器，從而可以較好地抑制2次及其以上的諧波，減小了整流天線的幾何尺寸；另外，本設(shè)計(jì)中在微帶天線的接地板和輻射基片之間加入一層泡沫材料介質(zhì)層，提高了天線的增益，使得接收天線在相同功率密度環(huán)境中獲取更多的微波能。應(yīng)用HFSS軟件對(duì)該縫隙耦合饋電微帶天線進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，天線增益達(dá)到了8.2dB，且在二次和三次諧波頻率處，天線的反射系數(shù)較高，體現(xiàn)了其諧波抑制功能。DGS直通濾波器的HFSS仿真設(shè)計(jì)結(jié)果證實(shí)，該濾波器的阻帶較寬，可以有效抑制基波和整流二極管產(chǎn)生的高次諧波。應(yīng)用ADS軟件對(duì)整流天線進(jìn)行了仿真優(yōu)化，結(jié)果表明，在輸入功率為3dBm，負(fù)載阻抗為1200Ω條件下，整流天線的微波-直流轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了51.8%，輸出直流電壓達(dá)到了 1.1V。

2 接收天線設(shè)計(jì)

縫隙耦合饋電微帶天線如圖2所示。該天線包含三層介質(zhì)層，厚度分別是h1，h2和h3，相對(duì)介電常數(shù)分別是εr1，εr2和εr3。輻射貼片蝕刻在頂層介質(zhì)層上表面，饋電微帶線在底層介質(zhì)層下表面，開縫隙接地金屬板在中間層和底層介質(zhì)板之間。中間層是由泡沫材料組成的介質(zhì)層，可以一定程度上提高天線增益。微帶天線的幾何參數(shù)如圖2（c）所示。

圖2 微帶天線結(jié)構(gòu)：（a）結(jié)構(gòu)示意圖，（b）剖面圖，（c）俯視圖

微帶天線采用縫隙耦合饋電方式，較好地隔離饋電電路和輻射貼片，其作用體現(xiàn)在兩個(gè)方面。其一，使得天線具有較寬的阻帶特性，在整流電路和接收天線之間無需連接低通濾波器，減小了整流天線的幾何尺寸；其二，整流電路對(duì)天線的輻射性能影響較小。應(yīng)用HFSS軟件對(duì)該縫隙耦合饋電微帶天線進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)出高增益接收天線，可以在低輸入功率密度條件下獲取更多的微波能量。微帶天線的頂層和底層的相對(duì)介電常數(shù)均為 2.2，厚度均為 0.508mm，介質(zhì)損耗角正切均為 0.0009。 中間層是相對(duì)介電常數(shù)為 1.07、厚度為 3.2mm的泡沫材料層。幾何尺寸為lp=18.3mm， ws=1.97mm， ls=14.5mm， l=21.15mm，w=1.56mm， Δl=4.17mm。

圖3 天線反射系數(shù)

圖4 天線輻射方向圖

縫隙耦合饋電微帶天線的HFSS仿真得到的天線反射系數(shù)如圖3所示，諧振頻率為f0=5.8GHz，S11=-43dB，在 2f0和 3f0處 S11分別為-2.1dB和-4.6dB，表明該天線是一種諧波抑制天線，二次和三次諧波基本上不能通過天線再輻射，減少了微波能量的損失。縫隙耦合微帶天線HFSS仿真得到的天線輻射方向圖如圖4所示，天線增益達(dá)到了8.2dB。相比于傳統(tǒng)的微帶天線，增益提高了2dB左右。

3 DGS直通濾波器設(shè)計(jì)

直通濾波器在整流電路中置于整流二極管和直流負(fù)載之間，用于阻止基波和高次諧波傳輸?shù)街绷髫?fù)載而消耗，并反射至整流二極管進(jìn)行再次整流，可有效降低微波能量的損失，提高整流天線的微波-直流轉(zhuǎn)換效率。DGS直通濾波器的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，其中虛線框表示接地板上蝕刻的三個(gè)啞鈴狀缺陷結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)改變了微帶線的分布電感和分布電容，使具有DGS的微帶線表征出帶阻特性；其中兩個(gè)十字型開路枝節(jié)進(jìn)一步抑制高次諧波傳輸，展寬了傳統(tǒng)啞鈴狀DGS濾波器的阻帶寬度。應(yīng)用HFSS軟件對(duì)其進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，在幾何參數(shù)分別為b=4mm,c=5.5mm,g=0.5mm,d=2mm,w=1.56mm 時(shí)，獲得較好結(jié)果，其S參數(shù)如圖6所示，在基波及二次、三次和四次諧波頻率處，反射系數(shù) S11分別為-0.3dB，-0.9dB，-0.8dB 和-2.9dB， 透射系數(shù) S21分別為-39.5dB，-27.2dB，-20dB 和-32.2dB， 充分說明該濾波器允許直流通過，而能阻止基波和高次諧波傳輸通過，體現(xiàn)出良好的直通濾波器特性。

圖5 DGS直通濾波器結(jié)構(gòu)

4 整流天線的仿真優(yōu)化

圖6 S11和S21隨頻率變化曲線

整流電路位于接收天線的底層下表面，與天線輻射貼片分立于接地板兩側(cè)，這種結(jié)構(gòu)可以消除整流電路對(duì)天線輻射性能的影響，其結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。設(shè)計(jì)時(shí)，天線和整流電路的輸入阻抗均以50Ω進(jìn)行匹配。整流二極管采用肖特基HSMS2860，以并聯(lián)形式接入電路中，采用ADS諧波平衡仿真方法，得到頻率為5.8GHz，輸入功率為0dBm，輸出端直流負(fù)載為1200Ω時(shí)，該肖特基二極管的輸入阻抗為 Z=13.1-j*44.3Ω。整流電路設(shè)計(jì)時(shí)，通過調(diào)節(jié)圖7中l(wèi)3的長(zhǎng)度，消除二極管的阻抗虛部，再優(yōu)化l2和l1的長(zhǎng)度和寬度，使得整流電路的輸入阻抗為50Ω，以達(dá)到整流電路與接收天線輸入阻抗的匹配。

整流天線的ADS仿真模型如圖8所示，其中接收天線的S11參數(shù)以s1p文件形式導(dǎo)入ADS軟件DAC元件中，DGS直通濾波器的S11和S21參數(shù)以s2p文件形式導(dǎo)入ADS軟件S2P元件中，并最終實(shí)現(xiàn)整流天線在0dBm輸入功率條件下的 ADS 仿真和優(yōu)化。 在 l1=6.69mm，w1=1.56mm，l2=10.04mm，l3=7.34mm，Rl=1200Ω 時(shí)，獲得最優(yōu)化結(jié)果，輸出端信號(hào)的直流和各次諧波功率分布如圖9所示。然后對(duì)輸入功率在-10～15dBm范圍進(jìn)行參數(shù)掃描，仿真得到整流效率和輸出直流電壓與輸入功率關(guān)系如圖10所示。

圖7 整流天線結(jié)構(gòu)圖

圖8 整流天線的ADS仿真模型

圖9 輸出端信號(hào)的各次諧波分量

圖10 整流效率和輸出直流電壓與輸入功率關(guān)系

從圖9可以看出，在0dBm輸入功率條件下，輸出端獲得7.7dBm的直流電壓，而基波和各次諧波電壓功率都低于-34dBm，充分證實(shí)了DGS直通濾波器對(duì)基波和各次諧波信號(hào)進(jìn)行了有效抑制，圖10顯示出整流天線的整流效率在3dBm輸入功率時(shí)的微波-直流轉(zhuǎn)換效率為51.8%，直流負(fù)載兩端電壓為 1.1V；在 0～7dBm 輸入功率范圍內(nèi)，整流電路的轉(zhuǎn)換效率均在50%以上。這些特性極大地提高了整流天線在低功率密度環(huán)境中的應(yīng)用。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)出一種基于DGS濾波器的5.8GHz整流天線。接收天線采用增益達(dá)到8.2dB的縫隙耦合饋電微帶天線，該天線具有諧波抑制功能。DGS直通濾波器有效地阻塞了微波信號(hào)傳輸至直流負(fù)載，進(jìn)而減小了微波能量的損失。在3dBm輸入功率、負(fù)載阻抗為1200Ω條件下，整流天線達(dá)到了51.8%的最高整流效率和1.1V的直流輸出電壓。這一整流天線可以應(yīng)用于低功率條件下電子設(shè)備供能中。為進(jìn)一步提高整流天線的實(shí)用性，有必要對(duì)寬輸入功率的高效率整流天線開展研究。

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