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能量收集片状天线助力无线传感器

M.S.Jawad博士?? NurzaimahBintiZainol?? Z.Zakaria?? 马来西亚马六甲工艺大学电子与计算机工程学院电信系?? 2015年09月10日 ?? 收藏0

采样仿真

这里采用了一种参数化的研究方法,用以确保天线工作在要求的谐振频率(2.45GHz)。利用这种设计方法,可以调整贴片天线的长度和宽度,以及传输线的凹槽和长度。这些调整对反射损耗、增益和阻抗带宽的影响是很显著的。初始设计是没有额外凹槽的,天线工作在2.4973GHz,反射损耗是-12.178dB。小数带宽计算值为2.96%,天线增益为13.35dB。

额外凹槽被引入天线阵列的每个单振子用于提高性能。这样,额外凹槽可以将天线增益提高13.51dB。参数化分析是用固定设计参数做的,长度和宽度Lf、Lb、Lp、Wp和Ls1参数除外。

以下值被应用于天线设计:Lp = 45mm, Lf = 25.5mm, Wp = 49mm。然后对设计进行仿真,发现2.408GHz点的反射损耗提高到了-46.486dB。计算得到的阻抗带宽是3.65%,增益是13.54dB,方向性是14.04dB。

然后利用参数化研究得出的值对天线性能进行仿真,仿真发现具有额外凹槽并且Wp = 47 mm、Lp = 43 mm、Lf = 25.5 mm、Ls1 = 16 mm时的天线设计具有很高的增益。这种天线工作在2.446GHz,具有-22.938dB的反射损耗和99.4MHz(3.87%)的阻抗带宽。同时它能实现14.08dB的高增益和14.18dB的方向性。

当只有Lp改变时(变到41mm),增益将下降到13.79dB。可以观察到一些频率漂移:漂移到了2.486MHz,反射损耗变成了-15.931dB。这个结果表明,贴片天线长度影响频率。因此,为了确保在2.45GHz处的ISM频段正常工作,Lp要设为43mm。当线路阻抗S1为61.18Ω时,2.446GHz的天线设计的阻抗匹配是59.499326Ω至8.460473Ω。

在进行集成和再次测量之前,需要分开来测量天线和整流电流。图5和图6显示了这种集成之前和之后的整流电路输出电压测量值。测量的目的是确定天线阵列的反射损耗、辐射图案、增益和接收功率。

图5:这是制造过的能量收集天线的设计。
图5:这是制造过的能量收集天线的设计。

图6:单级整流器电路和天线一起用来将射频能量转换为直流电压。
图6:单级整流器电路和天线一起用来将射频能量转换为直流电压。

天线阵列设计与2.45GHz点的单频段功能一起工作,非常适合ISM频段应用。图7显示了仿真和测量结果,其中x轴是频率(GHz),y轴是反射损耗幅度(dB)。仿真结果表明,最佳工作频率为2.446GHz,此时的反射损耗是-22.938dB。测量结果表明,天线谐振的最佳点是2.4502GHz,此时的反射损耗是-18.4dB。测量结果似乎显示95%的精度,几乎与仿真结果有相同的值。通过引入凹槽以及企业馈电网络方法,可以实现最优的反射损耗。

图7:这些仿真和测量展示了在反射损耗性能方面最好的天线频率。
图7:这些仿真和测量展示了在反射损耗性能方面最好的天线频率。

天线带宽等于同样在3dB下降点的上限频率减去下限频率,见仿真和测量结果所示。图8和图9分别显示了94.6MHz的仿真天线带宽和95.8MHz的测量天线带宽。测量结果稍好于仿真结果,但两个值仍然非常接近。通过使用为贴片天线阵列中的每个辐射振子引入的双槽结构以及馈电网络安排中的馈电位置,这种带宽还可以进一步增加。

图8:根据电脑仿真结果,天线带宽是94.6MHz。
图8:根据电脑仿真结果,天线带宽是94.6MHz。

图9:根据测量结果,天线带宽稍微变宽了,为95.8MHz。
图9:根据测量结果,天线带宽稍微变宽了,为95.8MHz。

这种多层2×2天线阵列在每个辐射振子都有额外凹槽的条件下的目标增益都大于10dB,因此可以在收集环境射频能量时获得很好的结果。理论上讲,天线增益取决于输送到天线输入端子的总功率。这样,通过仿真(图10),为三维(3D)远场视场实现了14.08dB的天线增益。图11所示的仿真表明,这种天线可以产生14.18dBi的高方向性。

图10:这些图显示了为能量收集天线实现的增益。
图10:这些图显示了为能量收集天线实现的增益。

图11:这些图显示了能量收集天线的方向性。
图11:这些图显示了能量收集天线的方向性。

每个接收天线振子的方向性非常重要,其中每个振子都必须有指向,以便最大增益波瓣被指向发射天线,从而优化接收能量大小。能量收集系统的接收天线选择的是3dB的任意最小增益,相当于半功率束宽度(HPBW)。增益和方向性的改进是由设计中使用的多层电路结构实现的,其中的空气间隙被置于FR-4基板和多槽微带贴片天线之间。

图12:这是用于能量收集天线的辐射图案。
图12:这是用于能量收集天线的辐射图案。

天线的辐射图案也被仿真和测量。根据图12(a)的仿真,天线以方向性的图案辐射/接收射频能量,这种图案在某些方向上的辐射效率比其它图案高。HPBW(3dB处)是32度(见表)。如此窄的波束宽度拜天线用的薄FR-4基板材料所赐。天线主瓣幅度很重要,而旁瓣值必须减小,因为它来自于不想要的方向。

图12(b)和(c)比较了开放环境和测试室内的天线测量结果。在这两种情况下,天线中的电流显示,主辐射振子位于内边沿和近探针馈电处。因此这种天线可以提供更具方向性的辐射图案,必须非常靠近发射天线放置。

阻抗匹配甚至表面电流的流动对这种天线来说都很重要。理论上,穿过天线系统不同部分传输的电磁波可能遇到阻抗方面的差异。因此有必要通过匹配过程将天线的输入阻抗转换为与传输线相同的阻抗值,也因此在阻抗方面天线必须与整流电路集成在一起。没有好的阻抗匹配,一些波的能量将被反射,整流电路将没有足够的能量转换为直流电压。

通常使用50Ω的输入阻抗。这个天线设计中的阻抗匹配是59.49 - j8.46Ω,线路阻抗是61.18Ω,如图13所示。这种阻抗匹配对50Ω输入阻抗来说是非常理想的;馈电位置要仔细定位,以取得好的阻抗匹配性能和最低可能的反射损耗。

图13:天线及其整流器与50Ω系统阻抗进行了仔细的阻抗匹配。
图13:天线及其整流器与50Ω系统阻抗进行了仔细的阻抗匹配。

图14:比较仿真结果和测量结果
图14:比较仿真结果和测量结果

这种ISM频段能量收集天线显示在仿真结果和测量结果之间有很好的一致性。由天线和整流电路组成的这种天线系统工作在2.4514GHz,测量到的输出电压是3.94Vdc。这种设计应该能够很好地用于各种不需要电池的ISM频段应用中。

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