浅谈高压下工作的能量收集片状天线的设计解决方案

动能搜集是给通信系统中包含无线天线以内的各种各样微波射频/微波加热电子器件配电的一种合理方式。根据为独立射频标签（RFID）系统软件和无线网络感应器等相近运用搜集动能，就能开发设计出不用附加充电电池的自身配电解决方法。为了更好地展现这类概率，文中设计方案了一种动能搜集块状无线天线列阵，可以用以从附近电力能源捕获尽量多的微波射频动能。

为了更好地尽量控制成本，无线天线选用成本低的FR-4包装印刷线路板（PCB）原材料生产制造。开发设计的这类矩形框块状无线天线列阵工作中在2.45GHz的工业生产、科学合理和诊疗（ISM）频率段，在矩形框块状振子上设计方案了附加的凹形槽以提升收获。这一天线设计中还包括了一个关断闪光二极管（LED），用以标示捕获到的工作电压值在0.01Vdc至3.94Vdc间的动能。

选用“智能化”技术性的光线感应器和其他电子器件元器件早已逐渐危害很多人的日常生活。这种感应器可以检验房间内的光束明暗交界线水平，随后在光源减少到设置色度时全自动打灯。这类智能控制系统不但有利于改进大家的生活品质，并且有益于节约动能和成本费。这类对动能的智能控制应用可以运用于沒有锂电池的智能遥控器及其选用搜集动能运行的手机充电头。

科学研究工作人员早已开发设计出各种各样方式用以从外部获取自然环境动能，并将它更换为电力供功耗低感应器等运用应用。依靠自身配电的传感器网络和独立动能，这类搜集到的体力可以催生出很多新的“翠绿色”电子产品。自然环境中具有的体力可以从各种各样源开展重复使用，包含太阳能发电、电磁能、震动和微波射频/微波加热能。后者在对外开放室内空间中可以免費得到，并可以根据适合的接受无线天线捕获到并整流器成可以用的直流电压。

近些年，伴随着根据加速度传感器的wifi网络和其他运用总数的持续提升，充电电池配电的应用获得了更加迅速的提高，但充电电池只有带来比较有限的使用寿命和确定的电力能源提供率。而例如块状无线天线等动能捕获无线天线可以从自然环境中捕获动能，从而取代充电电池。现阶段市面上面有很多不一样的块状无线天线，包含环形线天线（MLA）、线形电极极化无线天线和环形电极极化无线天线。文中将探讨这种不一样的配备，而求寻找合适动能搜集的最好无线天线拓扑结构，及其可以将射频信号转化成直流电压以取代充电电池的电源电路。

为了更好地利润最大化普及率，大部分通信系统应用全向辐射源图案设计的无线天线。动能搜集系统软件便是要靠捕获在其中一些适用的动能。可以用动能的总数是挺大的，但只有一小部分能被搜集到，由于一些动能根据热的方式释放了，或被其他原材料所消化吸收。微波射频动能搜集系统软件由微波天线、预整流器过滤器、桥式整流电路及其将键入磁感应（EM）波整流器成直流电流的直流电带通滤波器（LPF）构成。桥式整流电路可以是多种不同中的随意一种——例如全波桥式整流器或选用单独一个分路器的全波整流器。

为了更好地完成最佳的电力工程传输，在无线天线和电子整流器中间采用了带通滤波器（LPF）开展特性阻抗配对。一旦数据信号通过整流器后，就用直流电带通滤波器，根据损耗自然环境中具有的射频信号中的高频率谐波电流，来光滑导出直流电压和电流量。在将动能传输给整流二极管以前尽可能搜集较大的输出功率，随后抑止由二极管造成、并从无线天线那边辐射源出去做为损害输出功率的谐波电流。

有很多要素危害合理的动能搜集，包含无线天线信号强度、无线天线接受输出功率、变换高效率和变换电路分析。为了更好地提升变换高效率，务必完成多种多样天线设计，包含无线天线列阵和环形电极极化无线天线。宽带网络无线天线可以从各种各样源接受相对性高的微波射频输出功率，而无线天线列阵可以提升给予给二极管开展整流器的出射输出功率。图1展现了硅整流二极管无线天线的框架图。

图1：这张框架图表明了在ISM频段应用的硅整流二极管无线天线。

电子计算机模拟仿真企业研发的CSTMicrowave Studio模块2011版用以设计方案和模拟仿真功率放大动能搜集无线天线，而KeysightTechnologies企业研发的高级设计系统软件（ADS）2011版用以设计方案和模拟仿真桥式整流电路。无线天线和桥式整流电路在FR-4PCB原材料上制做，便捷具体精确测量值和模拟仿真結果的较为。图2表明了天线设计全过程的步骤。

图2：这一系统结构图表明了动能搜集无线天线系统软件的设计过程。

图3：这也是动能搜集无线天线的侧视图。

图4：这种不一样的主视图表明了动能搜集无线天线的（a）前主视图、（b）底主视图和（c）后视图。

这类无线天线是为ISM频段的运用设计方案的，并在成本低的电源电路基材原材料上放光刻技术图案设计和蚀刻加工技术性实现生产制造。如下图3所显示，无线天线由底端的地平面图、FR-4电源电路基材和贴片天线贴片天线中间的水汽空隙及其附加凹形槽构成（图4是无线的别的主视图）。贴片天线和地平面图全是由铜构成的。无线天线由坐落于同轴电缆核心的同轴线馈射频连接器开展鼓励。当工作中在2.45GHz时，可以用下列计算公式贴片天线贴片天线的间距和长短：

在其中：c=光的速度；f=输出功率（2.45GHz）；εr=PCB基材的相对介电常数；εreff=PCB基材的合理相对介电常数。

为了更好地实现较好的防护实际效果，无线天线的邻近振子应间隔最少总体目标工作频率相匹配光波长的二分之一（λ/2）。大家各自在天线振子间隔为5.8cm（0.4737λ）、6.1cm（0.4982λ）和6.5cm（0.5310λ）时干了防护功能测试，最终发觉间隔为6.1cm时可以在提升后给予最好的特性。

贴片天线不但常常被作为单振子元器件，并且也被作为列阵——尤其是在必须建立单振子无线天线没法达到的图案设计时。微带阵列的馈电互联网可以用梯状同轴电缆将100Ω无线天线贴片式振子配对到50Ω键入端口号或四分之一光波长特性阻抗转化器来完成。

当今设计方案选用了锥型线和无线天线列阵，在其中的无线天线列阵由坐落于更厚同轴电缆正中间的探头以SMA兼容的50Ω特性阻抗馈电。针对Z0= 50 Ω的特性特性阻抗，分到两根馈电缆线的输出功率是100Ω。

桥式整流电路的设计方案根据的是对该电源电路的同轴电缆测算。用以动能搜集系统软件的基本上电子整流器设计方案由一个二极管和一个电容器构成。挑选这些简易设计方案的因素是尽可能减少二极管耗损。为了更好地完成迅速电源开关速率和低电压降的目地，文中选取了Keysight企业的型号规格为HSMS-286B二极管。

取样模拟仿真

这儿运用了一种三维建模的研究思路，用于保证无线天线工作中在规定的串联谐振（2.45GHz）。运用这类设计方法，可以调节贴片天线的尺寸和总宽，及其同轴电缆的凹形槽和长短。这种调节对反射面耗损、收获和特性阻抗网络带宽的直接影响是很明显的。原始设计方案是沒有附加凹形槽的，无线天线工作中在2.4973GHz，反射面耗损是-12.178dB。小数带宽计算数值2.96%，接收灵敏度为13.35dB。

附加凹形槽被引进无线天线列阵的每一个单振子用以提升特性。那样，附加凹形槽可以将接收灵敏度提升13.51dB。参数化设计剖析是用固定不动设计方案主要参数做的，长短和总宽Lf、Lb、Lp、Wp和Ls1主要参数以外。

下列值被运用于天线设计：Lp = 45mm， Lf = 25.5mm， Wp = 49mm。随后对设计方案开展模拟仿真，发觉2.408GHz点的散射耗损提升到了-46.486dB。测算获得的特性阻抗网络带宽是3.65%，收获是13.54dB，专一性是14.04dB。

随后运用参数化设计科学研究得到的值对无线天线特性开展模拟仿真，模拟仿真发觉具备附加凹形槽而且Wp = 47 mm、Lp = 43 mm、Lf = 25.5 mm、Ls1 = 16 mm时的天线设计具备很高的收获。这类无线天线工作中在2.446GHz，具备-22.938dB的散射耗损和99.4MHz（3.87%）的特性阻抗网络带宽。与此同时它能完成14.08dB的功率放大和14.18dB的专一性。

当仅有Lp更改时（变成41mm），收获将降低到13.79dB。可以留意到一些工作频率飘移：飘移到了2.486MHz，反射面耗损变成了-15.931dB。这一结果显示，贴片天线长短危害工作频率。因而，为了更好地保障在2.45GHz处的ISM频段一切正常工作中，Lp要设成43mm。当路线特性阻抗S1为61.18Ω时，2.446GHz的天线设计的匹配电阻是59.499326Ω至8.460473Ω。

在开展集成化和再度精确测量以前，必须分离来精确测量无线天线和整流器电流量。图5和图6表明了这类集成化以前和以后的桥式整流电路输出电压精确测量值。精确测量的效果是明确无线天线列阵的散射耗损、辐射源图案设计、收获和接受输出功率。

图5：这也是生产制造过的动能搜集无线天线的设计方案。

图6：单极电子整流器电源电路和无线天线一起用于将微波射频热传递为直流电压。

无线天线列阵设计方案与2.45GHz点的单频率段作用一起工作中，特别适合ISM频段运用。图7表明了模拟仿真和检测結果，在其中x轴是工作频率（GHz），y轴是反射面耗损力度（dB）。模拟仿真结果显示，最好输出功率为2.446GHz，这时的散射耗损是-22.938dB。精确测量结果显示，无线天线串联谐振的最好点是2.4502GHz，这时的散射耗损是-18.4dB。精确测量結果好像表明95%的精密度，几乎与模拟仿真結果有一样的值。根据引进凹形槽及其公司馈电互联网方式，可以完成最佳的散射耗损。

图7：这种模拟仿真和精确测量展现了在反射面耗损特性层面较好的无线天线工作频率。

无线天线网络带宽相当于一样在3dB降低点的下限工作频率减掉最低值工作频率，见模拟仿真和检测結果所显示。图8和图9各自表明了94.6MHz的模拟仿真无线天线网络带宽和95.8MHz的精确测量无线天线网络带宽。精确测量結果稍微好于模拟仿真結果，但2个值依然十分贴近。根据应用为贴片天线列阵中的每一个辐射源振子引进的双槽构造及其馈电互联网分配中的馈电部位，这类网络带宽还能够进一步提升。

图8：依据电脑上模拟仿真結果，无线天线网络带宽是94.6MHz。

图9：依据精确测量結果，无线天线网络带宽略微变大了，为95.8MHz。

这类双层2×2无线天线列阵在每一个辐射源振子都是有附加凹形槽的前提下的总体目标收获都超过10dB，因而可以在搜集自然环境微波射频动能时得到有效的結果。理论上讲，接收灵敏度在于传至无线天线键入接线端子的总输出功率。那样，根据模拟仿真（图10），为三维（3D）远场视场角完成了14.08dB的接收灵敏度。图11所显示的模拟仿真表明，这类无线天线可以造成14.18dBi的高专一性。

图10：这种图表明了为动能搜集无线天线完成的收获。

图11：这种图表明了动能搜集无线天线的专一性。

每一个接受天线振子的专一性十分关键，在其中每一个振子都务必有偏向，便于较大收获波瓣被偏向发送无线天线，进而提升接受动能尺寸。动能搜集系统软件的接受无线天线挑选的是3dB的随意最少收获，等同于半输出功率束总宽（HPBW）。收获和专一性的改善是由设计中采用的双层电源电路构造完成的，在其中的水汽空隙被放置FR-4基材和多槽贴片天线贴片天线中间。

图12：这也是用以动能搜集无线天线的辐射源图案设计。

无线天线的辐射源图案设计也被模拟仿真和精确测量。依据图12（a）的模拟仿真，无线天线以专一性的图案设计辐射源/接受微波射频动能，这类图案设计在一些方位上的辐射效率比其他图案设计高。HPBW（3dB处）是32度（见表）。这般窄的波束宽度拜无线天线用的薄FR-4基家具板材料所赐。无线天线主瓣力度很重要，而旁瓣值务必减少，因为它来自于不要想的方位。

图12（b）和（c）较为了对外开放自然环境和检测房间内的无线天线精确测量結果。在这里二种状况下，无线天线中的电流量表明，主辐射源振子坐落于内边缘和近探头馈电处。因而这类无线天线可以给予更具有专一性的辐射源图案设计，务必十分挨近发送无线天线置放。

匹配电阻乃至表层电流量的流动性对这类无线天线而言都很重要。理论上，越过无线天线系统软件不一样一部分传送的无线电波很有可能碰到特性阻抗层面的差别。因而必须根据配对全过程将无线天线的输入电阻变换为与同轴电缆同样的特性阻抗值，也为此在特性阻抗层面无线天线务必与桥式整流电路集成化在一起。沒有好的匹配电阻，一些波的动能将被反射面，桥式整流电路将不会有充分的热传递为直流电压。

通常应用50Ω的输入电阻。这一天线设计中的匹配电阻是59.49- j8.46Ω，路线特性阻抗是61.18Ω，如下图13所显示。这类匹配电阻对50Ω输入电阻而言是十分满意的；馈电部位要细心精准定位，以获得好的匹配电阻特性和最少很有可能的散射耗损。

图13：无线天线以及电子整流器与50Ω系统软件特性阻抗开展了细心的匹配电阻。

图14：较为模拟仿真結果和检测結果

这类ISM频段动能搜集无线天线表明在模拟仿真結果和检测結果中间有有效的一致性。由无线天线和桥式整流电路构成的这类无线天线系统软件工作中在2.4514GHz，精确测量到的输出电压是3.94Vdc。这类设计方案应当可以有效地用以各种各样不用充电电池的ISM频段运用中。

责编：gt

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