宽带圆极化整流天线的研究与设计

郝宏刚 倪星瑞 龚见国 黄文 陈海雷 杜世淼

(重庆邮电大学光电工程学院,重庆 400065)

宽带圆极化整流天线的研究与设计

郝宏刚 倪星瑞 龚见国 黄文 陈海雷 杜世淼

(重庆邮电大学光电工程学院,重庆 400065)

针对空间微弱射频能量收集,提出了一种宽带圆极化整流天线,其主要由射频能量接收天线和多频整流电路构成. 为了获得宽频带特性,接收天线的辐射贴片采用对数周期交叉偶极子. 同时,两对交叉偶极子均由环形的90°相位延迟线连接,且相互正交,从而实现天线的圆极化特性. 多频整流电路由两个单阶电压倍压整流电路并联而成,为了提高整流电路的性能和效率,引入了具有两个枝节的新型阻抗匹配电路. 仿真结果表明:接收天线的阻抗带宽和3 dB轴比带宽分别为1 100 MHz和350 MHz;多频整流电路的功率灵敏度达到-35 dBm,最大RF-DC整体转换效率可达76.5%. 在辐射强度为6.02 μT,负载电阻为700 Ω时,测得整流天线负载端的输出电压约为139 mV,因此该整流天线适用于低功率射频能量收集应用.

射频能量收集;整流天线;对数周期天线;多频整流电路;转换效率

引 言

近年来,随着医疗保健、智能交通管理和环境监控等低功耗无线传感器网络的应用需求不断增加,如何为这些低功耗电子设备持续供能已经成为当前能源研究的热点问题. 目前,电池作为这类电子产品的主要能量来源,其容量和使用寿命非常有限. 并且,对于一些处在恶劣环境中的无线传感设备,人力更换电池极为不便而且风险极大. 另外,废弃电池会严重污染环境. 因此,针对空间微弱射频能量的收集成为当前非常热门的研究课题[1-3]

整流天线作为射频能量收集系统的关键部分,其主要功能是将空间中的射频功率转换为可用的直流功率,最终为一些低功耗无线传感设备提供能量. 近年来,国内外对于整流天线的研究取得了很大进展,一些整流天线已经实现了相当高的转换效率[4-6]. 然而,这些研究主要集中在单个较窄的频带,并且需要相对较高的输入功率.

为了充分利用环境中的射频信号,学者提出了全极化整流天线[7-9]、双频整流天线[8-9]、阵列整流天线[10]、多频整流天线[11]和宽带整流天线[12-13]等整流天线. 但是,这些整流天线的结构复杂,尺寸较大. 圆极化天线在现代无线通信中具有很多优势,如圆极化天线特有的极化分解特性可减少收发天线间的极化失配. 同时,它不需要将收发天线的位置保持严格的对准,从而可以提高天线方向约束的灵活性. 文献[14]采用宽带圆极化天线实现了多频整流,其在多频输入情况下的最大RF-DC整体转换效率为67%.

为了满足当前整流天线在宽频带、小型化等方面的应用需求,本文提出了一种能够覆盖GSM1800/4G、UMTS/3G与Wi-Fi三个频段的宽带圆极化整流天线. 其接收天线的阻抗带宽为1 100 MHz,3 dB轴比带宽为350 MHz,面积为65.0 mm×65.0 mm,多频整流电路实现了76.5%的最大转换效率,测得整流天线负载端的输出电压约为139 mV. 该整流天线结构简单、尺寸较小,具有较高的功率灵敏度,适用于低输入功率射频能量收集应用.

1 宽带圆极化能量接收天线设计

本文提出了一款基于对数周期结构的宽带圆极化射频能量接收天线,其结构模型如图1所示.介质基板的尺寸为65.0 mm×65.0 mm×1.0 mm,材料为FR4环氧玻璃布层压板,相对介电常数为4.4,损耗正切为0.02.

(a) 正面 (b) 背面

(c) 侧面
图1 宽带圆极化对数周期天线

天线的辐射贴片为两对相互正交的梯形片齿结构对数周期交叉偶极子,分别位于介质基板的正面和背面,采用此种结构可以获得很好的宽频带特性. 根据对数周期天线理论,当天线的电性能保持不变时,频率需满足

(1)

式中:τ为比例系数,也称为比例因子;n为对称振子的序列编号,从离开馈电点最远的振子,即最长的振子算起;fn为第n个振子的工作频率. 对式(1)取对数得

(2)

式(2)表明,只有当天线工作频率的对数为周期函数(周期为ln(1/τ))时,其电性能才保持不变. 本文提出的对数周期天线工作在1.85 GHz、2.15 GHz和2.45 GHz三个频段,因此可以由式(2)计算出比例因子τ. 根据微带辐射贴片尺寸估算,可以得到梯形片齿结构对数周期交叉偶极子的大致尺寸,然后由间隔因子σ来确定相邻振子间的距离,即

(3)

式中:dn为相邻两振子间的距离;Ln为两振子中较长振子的长度. 最终确定梯形片齿辐射贴片的个数为24. 另外,在距辐射贴片最外侧边缘一定距离处加载L形贴片,通过耦合的方式,可以有效地扩展低频段的阻抗带宽. 适当调整L形贴片与梯形辐射贴片之间的间距g,可以在GSM1800/4G频段处获得较宽的阻抗带宽.

天线采用50 Ω同轴线进行馈电,同轴线的内导体与介质基板的顶层辐射贴片连接,而外导体与介质基板的底层辐射贴片连接. 同时,介质基板的顶层辐射贴片和底层辐射贴片均由环形的90°相位延迟线连接,以实现天线的圆极化特性.

表1为天线的部分最优参数,图2为天线的反射系数仿真和测试曲线. 从图2可以看出,测试的反射系数曲线整体向低频段偏移了100 MHz左右,但是其阻抗带宽依然能够覆盖1.8～2.5 GHz的工作频段,因此该天线满足设计要求.

表1 宽带圆极化对数周期天线的部分参数

图2 宽带圆极化对数周期天线的S11仿真与测试曲线

图3为最外侧L形贴片与梯形辐射贴片的间距g对天线S参数的性能影响. 由图3可见:在其他参数不变的情况下,随着g值的不断增大,低频段的谐振频率向左偏移,阻抗带宽也相应变宽;当g增大至1.5 mm时,谐振频率和阻抗带宽几乎不再发生变化;在g值的整个变化过程中,高频段的谐振频率和阻抗带宽均无明显变化. 因此,L形贴片只对低频段的谐振频率和阻抗带宽起作用.

图4为90°相位延迟线的宽度r对轴比的性能影响图. 从图中可以看出,天线的轴比小于3 dB的圆极化带宽分别为100 MHz (1.8～1.9 GHz)、100 MHz (2.1～2.2 GHz)和150 MHz (2.35～2.5 GHz).

图5为宽带圆极化对数周期天线在不同谐振频率的表面电流分布. 从图中可以看出,当f=2.15 GHz和f=2.45 GHz时,电流主要分布在梯形片齿结构对数周期交叉偶极子辐射贴片上,而L形结构辐射贴片上的电流非常微弱. 当f=1.85 GHz时,L形结构辐射贴片上的电流明显增强,而梯形片齿结构交叉偶极子辐射贴片上的电流有所减弱. 由此可见,在梯形片齿结构交叉偶极子外围加载L形结构辐射贴片,有助于扩展低频段的阻抗带宽.

图3 g对天线的性能影响

图4 90°相位延迟线的宽度r对轴比的影响

(a) f=1.85 GHz (b) f=2.15 GHz

(c) f=2.45 GHz图5 宽带圆极化天线在三个谐振频率处的表面电流分布

图6为宽带圆极化天线的增益曲线,可以发现在1.8～2.5 GHz频段内,天线的增益相对比较平稳,最小增益约为2.2 dBi,最大增益约为3.5 dBi.

图6 宽带圆极化对数周期天线的增益曲线

2 多频整流电路设计

本文提出的多频整流电路的结构如图7所示,它由两个并联的单阶电压倍压整流电路构成．该多频整流电路与单阶电压倍压整流电路的整流原理类似,但是在相同的整流周期内,前者的负载端峰值电压约为后者的两倍. 因此,相比单阶电压倍压整流电路,采用此种结构的整流电路在理论上可以获得更高的击穿电压和整流效率.

图7 多频整流电路原理图

所提出的多频整流电路的最终结构如图8所示,每个HSMS-285C包含两个肖特基二极管,其封装形式为SOT-323,即原理图中的D1,D2,D3,D4,两个匹配电路均采用π型匹配结构. 整流电路的介质材料为罗杰斯5880,相对介电常数为2.2,厚度为0.787 mm,PCB板尺寸为50 mm×34 mm. 通过对整流电路的各关键参数进行优化,最终得到如表2所示的参数值.

图8 多频整流电路的结构模型

参数长度/mm参数量值L50Φ1100°W34Φ290°R165RL700ΩR230L143nHl198L218nHl235C1、C2、C3、C4100pF

图8中的匹配电路1由扇形枝节、弯曲短路枝节和贴片电感L1组成,主要实现在1.85 GHz和2.45 GHz附近的源阻抗与负载阻抗之间的阻抗匹配. 图8中的匹配电路2包括直短路枝节、扇形枝节和贴片电感L2,主要实现2.15 GHz左右的源阻抗与负载阻抗之间的阻抗匹配. 其中两个扇形枝节等效于λ/4开路传输线,在匹配电路中起容抗作用. 与传统直形短截线相比,在输入阻抗相同的条件下采用扇形开路枝节能将窄带特性改善为宽带特性,因此能够实现较宽的工作带宽. 短路枝节通常用作电感或电容,当短路枝节的长度小于λ/4时具有电感特性,否则表现为电容特性. 在本设计中,匹配网络由具有电感特性的短路枝节、贴片电感和扇形枝节组成.

3 仿真和测试结果

所提出的多频整流电路的性能测试系统主要由矢量网络分析仪、射频电缆、信号发生器和数字万用表组成,如图9所示. 整流电路的仿真和测试反射系数曲线如图10所示,可以清楚地看出,整流电路在不同的输入功率下很好地覆盖了三个工作频段. 在谐振频率2.15 GHz处,仿真结果与测试结果之

间具有良好的一致性,而在1.85 GHz和2.45 GHz处测试的S11发生了轻微的偏移,这可能是由于PCB板在较高频率处的介质损耗、整流二极管的损耗以及焊接在电路上的集总元件的未知寄生参数对电路造成的影响. 整流电路的RF-DC转换效率可以通过以下表达式计算得到:

(4)

式中:Pdc是整流电路的输出直流功率;Pin是整流电路的输入射频功率;Vdc和Idc分别是输出直流电压和直流电流;RL是负载电阻.

图9 整流电路的系统性能测试图

图10 两个输入功率下的仿真和测试S11曲线图

测试时使用射频信号发生器来替代接收天线,以在转换效率测量期间为整流电路提供射频功率. 在三个谐振频率处,仿真和测试得到的随输入功率变化的RF-DC转换效率如图11所示. 当输入功率从-35 dBm到0 dBm时,相应的转换效率由7%增加到50%,因此所提出的整流电路在相对低的功率密度下具有非常好的功率灵敏度和转换效率. 在2.15 GHz处,当输入功率为5 dBm时,整流电路的最大RF-DC转换效率约为65%.

图11 三个频率下的随输入功率变化 的仿真和测试转换效率

多频整流电路的RF-DC整体转换效率ηs可以由以下的公式计算得到:

(5)

(6)

式中:Pn为所有射频信号的功率之和;Pfi为单个射频信号的功率;k为射频信号的个数;PL为整流电路的损耗功率. 多频整流电路的RF-DC整体转换效率,如图11所示,从图中可以看到,电路的最大RF-DC整体转换效率大约为76.5%,相比单个射频信号大约提高了10%.

为了评估整流天线的性能,将多频整流电路与接收天线连接,输出电压用数字万用表测量.测试环境为具有较低射频功率密度的室内办公环境,利用LZT-1000电磁辐射测试仪测试室内环境的电磁辐射强度,测得的辐射强度为6.02 μT. 如图12所示,测得整流天线的输出电压约为139 mV.

图12 整流天线性能测试图

表3把本文所提出的整流天线性能与最近几年的整流天线性能作比较.可以看出本文所提出的宽带圆极化天线在覆盖以前的大多数工作频段的同时,实现了更高的RF-DC转换效率,扩大了输入功率的范围,能够收集更低功率的射频信号,并完成整流天线的小型化设计. 在接下来的工作中,为进一步减小整流天线整体尺寸,将尝试把接收天线和整流电路集成.

表3 整流天线性能对比

4 结 论

本文提出了一种由射频能量接收天线和多频整流电路构成的宽带圆极化整流天线. 接收天线的辐射贴片为梯形片齿对数周期交叉偶极子,从而实现了宽频带特性. 此外,为了获得圆极化特性,接收天线采用新的馈电结构,即两对相互正交的交叉偶极子通过环形的90°相位延迟线连接. 为了提高整流电路的性能和效率,基于单阶电压倍压整流电路,提出了具有两个枝节的新型阻抗匹配电路的多频整流电路. 仿真结果表明,接收天线实现了1 100 MHz的阻抗带宽和350 MHz的3 dB轴比带宽,多频整流电路的最大RF-DC整体转换效率为76.5%,功率灵敏度达到-35 dBm,在负载电阻为700 Ω时,整流天线负载端测得输出电压约为139 mV. 因此,该整流天线适合许多低功耗设备,可以应用于许多无电池无线应用中.

[1] ZHANG X Y, JIANG H J, ZHANG L W, et al. An energy-efficient ASIC for wireless body sensor networks in medical applications[J]. IEEE transactions on biomedical circuits and systems, 2010, 4(1): 11-18.

[2] NISHIMOTO H, KAWAHARA Y, ASAMI T. Prototype implementation of ambient RF energy harvesting wireless sensor networks[C]//2010 IEEE SENSORS. Kona, November 1-4, 2010: 1282-1287.

[3] KIM S, VYAS R, BITO J, et al. Ambient RF energy-harvesting technologies for self-sustainable standalone wireless sensor platforms[J]. Proceedings of the IEEE, 2014, 102(11): 1649-1666.

[4] ZULKIFLI F Y, LEZA Y M, BASARI, et al. Design of rectifier for rectenna application[C]//2015 Asia-Pacific Microwave Conference (APMC). Nanjing, December 6-9, 2015: 1-3.

[5] SUN H C, GUO Y X, MIAO H, et al. Design of a high-efficiency 2.45-GHz rectenna for low-input-power energy harvesting[J]. IEEE antennas and wireless propagation letters, 2012, 11: 929-932.

[6] HUANG Y, SHINOHARA N, MITANI T. A constant efficiency of rectifying circuit in an extremely wide load range[J]. IEEE transactions on microwave theory and techniques, 2014, 62(4): 986-993.

[7] CHOU J H, LIN D B, WENG K L, et al. All polarization receiving rectenna with harmonic rejection property for wireless power transmission[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2014, 62(10): 5242-5249.

[8] SUN H C, GUO Y X, MIAO H, et al. A dual-band rectenna using broadband Yagi antenna array for ambient RF power harvesting[J]. IEEE antennas and wireless propagation letters, 2013, 12: 918-921.

[9] SCHEELER R, KORHUMMEL S, POPOVIC Z. A dual-frequency ultralow-power efficient 0.5-g rectenna[J]. IEEE microwave magazine, 2014, 15(1): 109-114.

[10] MAVADDAT A, Mohseni Armaki S H, ERFANIAN A R. Millimeter-wave energy harvesting using 4X4 microstrip patch antenna array[J]. IEEE antennas and wireless propagation letters, 2015, 14: 515-518.

[11] KUHN V, CYRIL L, SEGUIN F, et al. A multi-band stacked RF energy harvester with RF-to-DC efficiency up to 84%[J]. IEEE transactions on microwave theory and techniques, 2015, 63(5): 1768-1778.

[12] SONG C Y, HUANG Y, ZHOU J F, et al. A high-efficiency broadband rectenna for ambient wireless energy harvesting[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2015, 63(8): 3486-3495.

[13] NIE M J, YANG X X, TAN G N, et al. A compact 2.45-GHz broadband rectenna using grounded coplanar waveguide[J]. IEEE antennas and wireless propagation letters, 2015, 14: 986-989.

[14] SONG C Y, HUANG Y, CARTER P, et al. A novel six-band dual CP rectenna using improved impedance matching technique for ambient RF energy harvesting[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2016, 64(7): 3160-3171.

郝宏刚(1977—)，男，山东人，教授，博士,主要从事光电检测技术、LED通信技术、电磁理论及应用研究.

倪星瑞(1993—)，男，四川人，硕士研究生，主要研究方向为射频与微波集成电路、环境射频能量收集等.

龚见国(1988—)，男，重庆人，硕士,主要从事环境射频能量收集的研究.

Researchanddesignofbroadbandcircularlypolarizedrectenna

HAOHonggangNIXingruiGONGJianguoHUANGWenCHENHaileiDUShimiao

(SchoolofOptoelectronicEngineering,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China)

A broadband circularly polarized rectifying antenna (rectenna) for the micro-radio energy harvesting in space, which consists of a radio frequency (RF) energy receiving antenna and a multi-band rectifying circuit is proposed in this paper. The log periodic cross dipole is used to obtain wideband characteristics on the radiation patch of the receiving antenna. At the same time, two pairs of orthogonal crossed dipoles are connected by a curved 90 degree phase delay line, which is aim to achieve the circular polarization characteristics of the antenna. The multi-band rectifying circuit is composed of two single-stage voltage doubler rectifying circuit. A new impedance matching circuit with two branches is introduced to improve the performance and efficiency of the rectifying circuit in parallel. The simulation results show that the impedance bandwidth and the 3 dB axial ratio bandwidth of the receiving antenna are 1100 MHz and 350 MHz respectively. The power sensitivity of multi-band rectifying circuit reaches-35 dBm, and the maximum RF-DC conversion efficiency is up to 76.5%. The measured output voltage of the rectenna is about 139 mV when the radiation intensity is 6.02 μT and the value of load resistor is 700 Ω, so it is suitable for low power RF energy harvesting applications.

RF energy harvesting; rectenna; log periodic antenna; multi-band rectifying circuit; conversion efficiency

郝宏刚, 倪星瑞, 龚见国, 等. 宽带圆极化整流天线的研究与设计[J]. 电波科学学报,2017,32(4):403-409.

10.13443/j.cjors.2017072401

HAO H G, NI X R, GONG J G, et al. Research and design of broadband circularly polarized rectenna[J]. Chinese journal of radio science,2017,32(4):403-409. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2017072401

TN820

A

1005-0388(2017)04-0403-07

DOI10.13443/j.cjors.2017072401

2017-07-24

重庆市教育委员会科学和技术研究项目(kj1400417)

联系人： 倪星瑞 E-mail: xingray@yeah.net