11、用于自供电无线系统的超材料微带天线设计的系统研究

用于自供电无线系统的超材料微带天线设计的系统研究

1. 引言

近年来，随着现代无线通信服务的广泛扩展，我们周围环境中充满了电磁波。大量辐射能量会在空气中浪费，只有少量被接收。如果能合理利用这些射频（RF）能量，结合太阳能等自然收集能量，将带来可重复利用的好处。在许多低功耗设备中，如传感器网络、射频识别、物联网和电子时钟等，收集的RF能量被视为主要电源。借助超级电容器，收集的RF能量可为设备整个生命周期提供足够电力。

已有多项研究致力于开发单频整流天线、多频整流天线和天线阵列。由于收集的能量通常来自不同方向和源，具有多频段的全向天线是更理想的接收器。采用基于分形几何的天线可显著提高能量收集效率。

自20世纪50年代引入以来，微带天线因其低剖面、轻重量、低成本、易于安装和制造等优点得到广泛研究。但传统微带天线带宽较窄、增益适中，限制了其在现代超宽带（UWB）通信系统中的应用。美国联邦通信委员会（FCC）已为UWB应用分配了3.1 - 10.6 GHz的频谱，为克服传统微带天线性能限制，人们提出了多种增加带宽的设计方法，如孔径耦合、寄生元件、多层贴片和馈电修改等。

近期，超材料（MTM）和电磁带隙（EBG）结构的引入提升了微带天线性能。例如，裂环谐振器（SRRs）可减小尺寸、增加带宽和改善辐射方向图；EBG结构可蚀刻在金属贴片或接地面上。不过，谐振MTM结构存在带宽窄和传导损耗两个基本限制。也有研究提出了基于分形形状的小型化天线以增强带宽。

2. 动机与目标

2.1 动机

由于对自供电无线系统绿色能源收集的迫切需求，全球多个研究小组致力于收集RF能量。本研究旨在总结天线效率、增益、带宽、匹配阻抗和材