一種應用于2．45GHz的微帶整流天線設計

摘要：為實現對低功耗負載的微波供電，設計了應用于2．45 GHz的微帶整流天線。在接收天線設計中，引入了光子晶體(PBG)結構，提高了接收天線的增益和方向性；在低通濾波器部分引入了缺陷地式(DGS)結構，以相對簡單的結構實現了2．8 GHz低通濾波器特性；最后通過ADS軟件設計得出了用于微帶傳輸線與整流二極管間的匹配電路。將接收天線、低通濾波器和整流電路三部分微帶電路進行整合，完成整流天線的設計。通過實驗測試，該整流天線的增益為4．29 dBi，最高整流效率為63％。通過引入光子晶體結構和缺陷地式結構，在保證整流天線增益和整流效率的基礎上，有效地減小了天線的尺寸，簡化了設計方法。
關鍵詞：整流天線；光子晶體結構；缺陷地式結構；無線能量傳輸

微波無線能量傳輸技術提出于上世紀60年代，1964年威廉，布朗成功驗證了一個可以把微波能量轉換成直流輸出的硅整流二極管天線。該技術現已應用于太陽能衛星、無人機驅動、兩地遠距離電能傳輸等大功率傳輸場合。在集成電路和半導體技術飛速發展的今天，無線能量傳輸技術越來越多地應用于低功耗電子設備中，如射頻識別系統、無線傳感器網絡、微機械系統。其中，整流天線扮演著重要的角色，得到了很大的發展。近年來，微帶電路被廣泛應用于整流天線的設計：微帶天線具有體積小、成本低、重量輕、易于實現等優點，并且微帶電路設計簡單、易于系統整合，與傳統電路相比，微帶電路具有得天獨厚的優勢。
2004年科羅拉多大學設計并研制出了應用于2．45 GHz和5．8 GHz的雙頻段圓極化寬帶整流天線陣列，該設計將傳統的阿基米德螺旋天線引入到了整流天線的設計中，在X波段整流效率可達到60％°2010年美國俄亥俄州立大學完成了基于分形結構的整流天線設計，該整流天線的整流效率到達了70％。自1994年電子科技大學林為干院士在國內首次引入微波無線能量傳輸這一概念以來，國內對整流天線的研究也不曾停止過。在文獻中，上海大學學者提出了整流天線優化設計的一體化分析模型，研制出了圓極化整流天線，其整流效率達到了58％。2010年哈爾濱工業大學完成了基于八木印刷天線的整流天線設計，并且將整流天線應用于微型機器人的供電系統。雖然很多學者都對整流天線的設計進行了研究，但是還存在結構復雜、尺寸較大、不易加工等缺點，很難應用于微系統，因此實現小尺寸整流天線是很有必要的。
本文對傳統的整流天線進行了改進，通過新型結構減小了整流天線的整體尺寸。首先引入了光子晶體結構，對傳統微帶貼片天線進行了改善。通過抑制天線表面波所產生的高頻分量，提高了天線的增益和方向性。其次在低通濾波器設計中引入了缺陷地式結構，通過簡單的缺陷地式結構，實現了2．45 GHz低通濾波器特性。再次，設計了微帶整流電路，最終得出了應用于2．45 GHz整流天線的整體設計。光子晶體結構和缺陷地式結構的引入有效地簡化了整流天線的設計，更加便于系統的集成。

1 整流天線設計
整流天線主要由接收天線、低通濾波器、整流電路與輸出低通濾波器4部分構成，在接收端由天線接收微波束的能量，整流電路通過整流二極管將接收到的微波能量轉化為直流能量輸出。但是由于二極管是非線性器件，它除了產生直流外，還會產生影響系統性能的二次、三次等高階次諧波，這些高次諧波會嚴重影響前端接收天線的工作特性，進而影響整流天線的整流效率。于是在接收天線和整流電路之間加入低通濾波器就很有必要了，低通濾波器可以將這些高次諧波反射回整流二極管中進行二次整流，從而提高系統的整流效率。另外，在輸出端引入輸出低通濾波器，可以有效防止直流以外的高頻能量輸出，同樣有效地提高了整體電路的整流效率。
1．1 光子晶體天線設計
光子晶體天線是指將微波毫米波光子晶體結構(Photonic Band—Gap，PBG)應用于天線設計中。它利用了光子晶體結構的禁帶特性，使一定頻率范圍內的電磁波不能在其表面傳播。這種結構可以抑制天線工作時所產生的高次諧波，從而可以在一定程度上提高天線的增益和方向性。
設計光子晶體天線一般基于以下原則：光子晶體數目一般取4到5個周期，并在整體設計中與天線處于對稱位置。為保證在引入光子晶體結構后，天線的性能不產生根本性的變化，地板上光子晶體結構中方孔邊長一般取四分之一波長，即λg。在方孔半徑與方孔間距比值為1／4時，效果最佳。
本文的微帶天線采用傳統矩形貼片天線內嵌式饋電設計，基于光子晶體結構的設計原則，對地板進行了PBG周期性結構設計，如圖1(a)所示，具體參數指標如下：W1=30mm，L=31mm，W2=16mm，W3=1．9mm，a=6．6mm，b=7mm，微波介質板采用FR4，介電常數為4．4，厚度為1mm。

對傳統矩形天線和光子晶體結構天線分別進行仿真，對比其反射參數如圖1(b)所示，可以很明顯地看出光子晶體結構對天線高次諧波的抑制作用，該天線的增益為3．69 dBi。
1．2 缺陷地式結構低通濾波器設計
1999年，韓國學者在光子晶體結構研究基礎上，提出了將缺陷地結構(Defected Ground Structure，DGS)用于濾波器設計。DGS結構通過影響地板上傳導電流的分布改變了微帶傳輸線的特性，使得微帶線具有了良好的通帶慢波特性和帶阻特性。與傳統低通濾波器相比，該結構使得濾波器的設計結構更加簡單緊湊，并且擁有更好的頻響特性和更小的尺寸，易于系統集成。1999年，韓國學者在光子晶體結構研究基礎上，提出了將缺陷地結構(Defected Ground Structure，DGS)用于濾波器設計。DGS結構通過影響地板上傳導電流的分布改變了微帶傳輸線的特性，使得微帶線具有了良好的通帶慢波特性和帶阻特性。與傳統低通濾波器相比，該結構使得濾波器的設計結構更加簡單緊湊，并且擁有更好的頻響特性和更小的尺寸，易于系統集成。
本文在微帶線中引入U形DGS單元結構，該結構與微帶線耦合，使得其等效介電常數增加、等效電感變大，從而產生阻帶效應，實現低通濾波器特性。該U形DGS結構的矩形尺寸主要影響濾波器截止頻率，縫隙的寬度主要影響諧振極點。因此，該U形DGS結構的頻率特性主要由兩個參數決定：矩形的尺寸和縫隙的寬度。圖2為對傳統高低阻抗低通濾波器進行的DGS結構設計，具體參數如下：W4=3．6 mm，W5=5．5 mm，W6=1．5 mm，g=0．5mm。微波介質板采用FR4，介電常數為4．4，厚度為1 mm。