集成于太阳能电池板的高增益分形天线设计

张丞皓，陈 星

(四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065)

集成于太阳能电池板的高增益分形天线设计

张丞皓，陈 星

(四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065)

基于众多领域中通信和可持续供能的双重需求，以太阳能电池为基板设计和制作了一种新型高增益天线。该天线在发射和接收电磁波的同时，能够利用太阳能电池发电。通过提取了太阳能电池板介电常数，并采用Peano分形结构，设计了一款工作频点为5.8 GHz、集成于太阳能电池板表面的高增益微带天线。仿真和测试结果表明，天线的遮挡效应仅降低了太阳电池板的14.7%输出功率，并且具备良好电磁辐射性能。其|S11|<-10 dB阻抗带宽为2.78%(5.67～5.83 GHz)、5.8 GHz的增益达到17.3 dBi。

天线；太阳能电池；分形；高增益

0 引言

近年来能量短缺和环境污染已成为影响经济社会发展的重要因素，太阳能作为一种洁净的可再生能源受到了越来越多的重视[1]，太阳能电池作为太阳能发电设备得到日益广泛的应用[2]。天线是现代无线通信设备中关键部件，如果能够将天线与太阳电池集成在一起，天线在发射和接收电磁波的同时，能够利用太阳能电池发电。这无疑在卫星[3]、无线通信系统[4]、野外应急通信[5]和遥测遥感[6]等领域中有重大应用前景。

目前集成太阳能电池板和天线主要有3种方式：① 将太阳能电池板直接置于天线的顶部使用，面积不超过天线的大小，如文献[7-8]。但这种设计中，太阳能电池面积受到很大限制，严重影响其发电量，并且太阳能电池的遮挡将影响天线辐射性能。② 使用透明导电材料如ITO(铟锡氧化物)作为天线基板，将天线集成于太阳能电池表面,如文献[9-10]。ITO具有较高的透光性，对太阳能电池的发电量影响较小，但是材料昂贵且加工困难。③ 在太阳能电池板表面集成线状或网状天线[11]，天线对太阳能电池的遮挡较小，并且加工成本低，但要兼顾天线性能和太阳能电池发电量2项性能，对天线设计有较大挑战。

本文设计集成于太阳能电池板的高增益天线，实现无线通信和太阳能发电共用。采用分形结构进行天线设计，该天线为网状微带线结构，从而在获得天线高增益性能条件下，尽可能减小天线对太阳能电池的遮挡效应。

1 太阳能电池板等效介电常数提取

采用单晶硅太阳能电池板，其太阳能发电能力为95 W/m2，厚度约为1.5 mm。为实现在太阳能电池板上加工制作微带天线，首先必须提取太阳能电池板的等效介电常数。为此，采用在太阳能电池板表面粘帖矩形铜皮(厚度为0.1 mm)和打孔的方式，制作了4只不同长度、宽度和馈电点位置，SMA接头顶馈的矩形贴片天线，如图1(a)所示。然后用矢量网络分析仪分别测试4个天线的反射系数|S11|，同时，采用商业电磁计算软件CST Microwave Studio仿真计算上述贴片天线在一系列等效介电常数下的反射系数|S11|。通过测试和仿真|S11|数据的对比来提取太阳能电池板的等效介电常数。图1(a)列举了其中一只贴片天线(图1(a)左上角天线，W=40 mm，L=29 mm，ΔL=7 mm)的等效介电常数扫参仿真和测试|S11|结果对比。提取得到的太阳能电池板等效介电常数为2.3。

(a) 天线实物

(b) 天线的仿真与实测|S11|图1 采用矩形贴片天线提取太阳能电池板等效介电常数

为了进一步验证该等效介电常数提取值的准确性，按该结果仿真设计了一只工作频率为5.8 GHz贴片天线(图2(a)，W=20 mm，L=15 mm，ΔL=5 mm)，并对比了其仿真和测试的|S11|(图2(b))，可以看到二者吻合良好，证明提取的太阳能电池板等效介电常数值2.3是准确的。

(a) 天线实物

(b) 天线的仿真与实测|S11|图2 验证太阳能电池板等效介电常数提取值准确性的贴片天线

2 Peano分形微带天线设计

对集成于太阳能电池板的天线，在保证增益等天线性能的前提下，天线需要有尽可能少的金属面积，从而将天线对太阳能电池的遮挡减小到最低，保障尽可能高的太阳能电池发电量。为此，本文采用了分形天线结构。

分形理论由法国数学家芒德布罗首先提出[12]。分形是指迭代生成无限精细的结构，常用的有规分形图案有科赫雪花曲线[13]、谢尔宾斯基地毯曲线[14]和皮亚诺空间填充曲线[15]等。其中，皮亚诺(Peano)空间填充曲线是由意大利数学家皮亚诺提出的，能填满一个正方形的曲线。将如图3(a)中单位边长的正方形9等分，然后连接每个小正方形的中点，获得一阶皮亚诺曲线。与其他分形曲线相比，皮亚诺曲线更为简洁，作为天线结构更易加工。再将上述得到的每个小正方形9等分，依次连接所有正方形的中点后就可以得到如图3(b)所示的二阶皮亚诺曲线。依据此方法，可以继续生成更高阶的皮亚诺曲线。虽然更高阶的皮亚诺天线会带来更高的增益，但是其阻抗带宽会以数量级的速度减小[16]。作为2个参数的折衷，本文采用二阶皮亚诺曲线结构设计高增益微带天线。

(a) 一阶皮亚诺曲线

(b) 二阶皮亚诺曲线

因为皮亚诺曲线是分形周期结构，所以可以截取单个周期进行研究。从左下角馈电，皮亚诺天线的电流方向如图4(a)标注所示。当M+N=λ/2时，电流将在通过M段和N段后发生相位反转，之后电流每传输半个波长的距离都会发生相位反转。此时在纵向上的电流同相、在横向上的电流反相，因此横向上的电流有一定程度的抵消，而纵向上的电流相互叠加，在天线中充当辐射段[17]。但当电流传输至上半部分时，又会形成电流反相。此时需要加一个180°移相器，使得天线在更大范围的纵向上电流方向相同，如图4(b)所示。其中，纵向段可等效为偶极子天线[18]。

(a) 未加移相器的电流分布 (b) 加移相器后的电流分布图4 皮亚诺天线周期结构电流分布

由于电流是边传输边辐射能量的，如果从二阶皮亚诺天线的左下角进行馈电，那么天线右上部分电流强度要明显弱于左下部分。电流的不均匀分布会在一定程度上影响空间方向图的合成[18]。为了使电场在整个天线上均匀分布，采用中心对称的方式排布天线。首先以二阶皮亚诺曲线右上角顶点为坐标原点构建坐标系，然后以Y轴为对称轴进行左右对称、以X轴为对称轴进行上下对称。最后选取天线几何中心即坐标原点为馈电点。但是经过对称处理后，上下两部分电流是反相的。为了使天线辐射单元电流流向一致，需要在中间添加180°的移相器，最终确定的皮亚诺天线如图5所示。

图5 皮亚诺天线结构

图5中，M=16.6 mm；N=8.9 mm；W=1 mm；L1=3.4 mm；L2=4.4 mm；L3=17.3 mm；K1=3 mm；K2=5.3 mm；K3=4.7 mm；L=145 mm。

3 测试与分析

根据上节设计结果加工了天线样品，如图6(a)所示。天线样品的仿真和矢量网络分析仪测试|S11|曲线如图6(b)所示，可以看到测试和仿真结果吻合良好，其实测|S11|<-10 dB阻抗相对带宽为2.78%(5.67～5.83 GHz)。

(a) 天线实物

(b) 仿真和实测的|S11|曲线图6 皮亚诺天线天线样品及|S11|曲线

仿真和实测的方向图如图7所示，其增益达到17.3 dBi，主旁瓣比为9.8 dB。

太阳能电池板输出功率测试如图8所示，通过测试表面集成Peano分形天线前后的太阳能电池板的输出电流和电压，测试了Peano分形天线对太阳能电池板发电量的影响。测试表明，集成Peano分形天线前，太阳能电池的输出功率为0.429 W(6.57 V*65.4 mA)，集成后则为0.366 W(6.53 V*56.1 mA)，发电量下降14.7%。与同类天线[19]相比，本文设计的天线不仅实现了更高的增益，同时较大程度地降低了对太阳能电池板的遮挡率，更有效地利用太阳能。

图7 天线在5.8 GHz时E面和H面的方向

图8 太阳能电池板输出功率测试

4 结束语

本文设计了一款集成于太阳能电池板的高增益微带天线。通过对太阳能电池板等效介电常数的提取，在太阳能电池板表面设计和制作了基于Peano分形结构的微带天线。仿真和测试表明，该天线的|S11|<-10 dB阻抗带宽为2.78%，增益达到17.3 dBi，由于天线遮挡效应造成太阳能电池发电量下降仅为14.7%。该天线可同时实现无线通信和太阳能发电，具有广泛的工程应用前景。

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High-gain Fractal Antenna Integrated with a Solar Cell

ZHANG Cheng-hao,CHEN Xing

(CollegeofElectronicsandInformationEngineering,SichuanUniversity,ChengduSichuan610065,China)

A novel high gain antenna fabricated on a solar cell is proposed.This antenna is able to radiate or receive electromagnetic wave while generating electric power by using the solar cell.By extracting the effective permittivity of solar cell and using the Peano fractal configuration,a high gain microstrip antenna is designed,which operates at 5.8 GHz and is integrated with a solar cell.Both the simulation and measurement results demonstrate that the shading effect of the antenna to the solar cell only leads to a drop of electricity generation of 14.7%,moreover,the antenna shows encouraging radiation performances,e.g.the antenna’s |S11|<-10 dB impedance bandwidth is 2.78%(from 5.67 GHz to 5.83 GHz),and at the operating frequency of 5.8 GHz,its gain is up to 17.3 dBi.

antenna;solar cell;fractal;high gain

2017-02-17

国家自然科学基金委员会—中国工程物理研究院联合基金资助项目(U1230112)。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.12

张丞皓，陈 星.集成于太阳能电池板的高增益分形天线设计[J].无线电工程,2017,47(6):48-51.[ZHANG Chenghao,CHEN Xing.High-gain Fractal Antenna Integrated with a Solar Cell[J].Radio Engineering,2017,47(6):48-51.]

TN820.1

A

1003-3106(2017)06-0048-04

张丞皓 男,(1991—)，硕士研究生。主要研究方向：天线设计。

陈 星 男,(1970—)，博士，教授。主要研究方向：天线设计、并行计和电磁场数值计算。