一種應用于2．45GHz的微帶整流天線(xiàn)設計

摘要：為實(shí)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(xiàn)。在接收天線(xiàn)設計中，引入了光子晶體(PBG)結構，提高了接收天線(xiàn)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(jiǎn)單的結構實(shí)現了2．8 GHz低通濾波器特性；最后通過(guò)ADS軟件設計得出了用于微帶傳輸線(xiàn)與整流二極管間的匹配電路。將接收天線(xiàn)、低通濾波器和整流電路三部分微帶電路進(jìn)行整合，完成整流天線(xiàn)的設計。通過(guò)實(shí)驗測試，該整流天線(xiàn)的增益為4．29 dBi，最高整流效率為63％。通過(guò)引入光子晶體結構和缺陷地式結構，在保證整流天線(xiàn)增益和整流效率的基礎上，有效地減小了天線(xiàn)的尺寸，簡(jiǎn)化了設計方法。
關(guān)鍵詞：整流天線(xiàn)；光子晶體結構；缺陷地式結構；無(wú)線(xiàn)能量傳輸

微波無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)提出于上世紀60年代，1964年威廉，布朗成功驗證了一個(gè)可以把微波能量轉換成直流輸出的硅整流二極管天線(xiàn)。該技術(shù)現已應用于太陽(yáng)能衛星、無(wú)人機驅動(dòng)、兩地遠距離電能傳輸等大功率傳輸場(chǎng)合。在集成電路和半導體技術(shù)飛速發(fā)展的今天，無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)越來(lái)越多地應用于低功耗電子設備中，如射頻識別系統、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )、微機械系統。其中，整流天線(xiàn)扮演著(zhù)重要的角色，得到了很大的發(fā)展。近年來(lái)，微帶電路被廣泛應用于整流天線(xiàn)的設計：微帶天線(xiàn)具有體積小、成本低、重量輕、易于實(shí)現等優(yōu)點(diǎn)，并且微帶電路設計簡(jiǎn)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(yōu)勢。
2004年科羅拉多大學(xué)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(xiàn)陣列，該設計將傳統的阿基米德螺旋天線(xiàn)引入到了整流天線(xiàn)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(xué)完成了基于分形結構的整流天線(xiàn)設計，該整流天線(xiàn)的整流效率到達了70％。自1994年電子科技大學(xué)林為干院士在國內首次引入微波無(wú)線(xiàn)能量傳輸這一概念以來(lái)，國內對整流天線(xiàn)的研究也不曾停止過(guò)。在文獻中，上海大學(xué)學(xué)者提出了整流天線(xiàn)優(yōu)化設計的一體化分析模型，研制出了圓極化整流天線(xiàn)，其整流效率達到了58％。2010年哈爾濱工業(yè)大學(xué)完成了基于八木印刷天線(xiàn)的整流天線(xiàn)設計，并且將整流天線(xiàn)應用于微型機器人的供電系統。雖然很多學(xué)者都對整流天線(xiàn)的設計進(jìn)行了研究，但是還存在結構復雜、尺寸較大、不易加工等缺點(diǎn)，很難應用于微系統，因此實(shí)現小尺寸整流天線(xiàn)是很有必要的。
本文對傳統的整流天線(xiàn)進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)新型結構減小了整流天線(xiàn)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(xiàn)進(jìn)行了改善。通過(guò)抑制天線(xiàn)表面波所產(chǎn)生的高頻分量，提高了天線(xiàn)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(guò)簡(jiǎn)單的缺陷地式結構，實(shí)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(xiàn)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(jiǎn)化了整流天線(xiàn)的設計，更加便于系統的集成。

1 整流天線(xiàn)設計
整流天線(xiàn)主要由接收天線(xiàn)、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(xiàn)接收微波束的能量，整流電路通過(guò)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(xiàn)性器件，它除了產(chǎn)生直流外，還會(huì )產(chǎn)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(huì )嚴重影響前端接收天線(xiàn)的工作特性，進(jìn)而影響整流天線(xiàn)的整流效率。于是在接收天線(xiàn)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(jìn)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(xiàn)設計
光子晶體天線(xiàn)是指將微波毫米波光子晶體結構(Photonic Band—Gap，PBG)應用于天線(xiàn)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(xiàn)工作時(shí)所產(chǎn)生的高次諧波，從而可以在一定程度上提高天線(xiàn)的增益和方向性。
設計光子晶體天線(xiàn)一般基于以下原則：光子晶體數目一般取4到5個(gè)周期，并在整體設計中與天線(xiàn)處于對稱(chēng)位置。為保證在引入光子晶體結構后，天線(xiàn)的性能不產(chǎn)生根本性的變化，地板上光子晶體結構中方孔邊長(cháng)一般取四分之一波長(cháng)，即λg。在方孔半徑與方孔間距比值為1／4時(shí)，效果最佳。
本文的微帶天線(xiàn)采用傳統矩形貼片天線(xiàn)內嵌式饋電設計，基于光子晶體結構的設計原則，對地板進(jìn)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(zhì)板采用FR4，介電常數為4．4，厚度為1mm。

對傳統矩形天線(xiàn)和光子晶體結構天線(xiàn)分別進(jìn)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(xiàn)高次諧波的抑制作用，該天線(xiàn)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(xué)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(guò)影響地板上傳導電流的分布改變了微帶傳輸線(xiàn)的特性，使得微帶線(xiàn)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(jiǎn)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(xué)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(guò)影響地板上傳導電流的分布改變了微帶傳輸線(xiàn)的特性，使得微帶線(xiàn)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(jiǎn)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(xiàn)中引入U形DGS單元結構，該結構與微帶線(xiàn)耦合，使得其等效介電常數增加、等效電感變大，從而產(chǎn)生阻帶效應，實(shí)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(diǎn)。因此，該U形DGS結構的頻率特性主要由兩個(gè)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(jìn)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(zhì)板采用FR4，介電常數為4．4，厚度為1 mm。