2.45GHz高效整流天线设计

2017年第11届欧洲天线与传播会议（EUCAP）

用于射频能量收集的集成整流电路与谐波抑制天线设计

s. Ahmed 1，Z. Zakaria 2, M. N. Husain 3, A. Alhegazi 4
马来西亚马六甲技术大学（UTeM）电信研究中心（CeTRI），马来西亚马六甲都荣东姑76100。
ISharif113@yahoo.com，2zahriladha@utem.edu.my，3mohdnor@utem.edu.my，4ammarhejazy@hotmail.com

摘要

本文提出了一种工作在2.45 GHz的整流天线（rectenna）。该天线由双层低成本FR‐4基板构成，中间以空气间隙隔开，以提高增益。天线设计中集成了谐波抑制特性，从而无需在天线和整流器之间额外使用谐波抑制滤波器（HRF），降低了整流天线的成本和尺寸。整流电路采用两级结构，并通过功率合成器组合，以最大化输出电压。整流过程采用HSMS 286B型快速开关肖特基二极管。实测结果显示，所提出的整流天线在输入功率为20分贝毫瓦、负载阻抗为4 KΩ时，射频‐直流转换效率达到78.7%。该整流天线具有高射频‐直流转换效率，适用于射频能量收集应用。

索引术语 ‐天线，整流器，高增益，谐波抑制，射频能量收集。

引言

如今，由于燃料、石油和核能等能源的限制，人们对寻找免费和绿色能源表现出极大的兴趣。射频能量收集系统能够捕获环境射频信号并将其转换为直流电压[1]。射频能量收集系统的接收端由接收天线、匹配网络或带通滤波器、整流器和负载电阻组成，如图1所示。该系统被称为整流天线或整流天线[2]。

天线用于捕获周围的射频信号。整流电路通过二极管将捕获的信号转换为直流电压。然而，由于二极管的非线性行为，会产生不需要的谐波，从而降低整流天线的整体效率。

一些研究人员使用低通滤波器（LPF）或谐波抑制滤波器（HRF）来阻断不需要的谐波[3]‐[6]，但使用谐波抑制滤波器（HRF）增加了整流天线的尺寸和成本。

在[7]‐[11]中，用于整流天线应用的天线具备谐波抑制能力，因此无需使用谐波抑制滤波器（HRF）。尽管这些整流天线尺寸小、成本低，但由于去除了谐波抑制滤波器（HRF），天线增益较低，导致整个整流天线的转换效率较低。

本文提出了一种具有谐波抑制能力的高效整流天线设计。该天线由带空气间隙的双层低成本FR‐4基板构成，可提高天线增益。该天线具备抑制高次谐波的能力，从而取代了低通滤波器（LPF）。整流电路由两级结构组成，并通过功率合成器进行组合，以提高输出直流电压。由于较高的输出直流电压以及消除了低通滤波器（LPF）带来的插入损耗，所提出的整流天线实现了较高的射频‐直流转换效率。

II. 整流天线设计结构

所提出的整流天线由天线和整流器组成。该天线采用双层介电常数为4.4的FR‐4基板设计而成。两层之间通过空气间隙隔开，以提高天线增益。辐射贴片设计在顶层，如图2(a)所示。两层之间使用5毫米的介质层进行固定，如图2(b)所示。在接地平面上刻蚀有孔径耦合缝隙，用于将馈线与顶部辐射贴片耦合。设计了矩形孔径耦合缝隙和直角三角形孔径耦合缝隙，以研究天线的谐波抑制能力。在底层设计了一条具有50 n 阻抗的单馈线。所提出的天线设计使用计算机仿真技术（CST）工作室套件进行了仿真。

设计了一个带有功率合成器的双级整流器。所提出的整流器的具体尺寸（单位为毫米）如图2(c)所示。首先对具有三个端口的功率合成器进行仿真，以确保实现良好的阻抗匹配。由于集总元件电容器在高频下的优势，已被叉指电容器和短截线替代。采用HSMS286B肖特基二极管，因其具有低击穿电压和快速开关能力。所提出的两级整流器使用高级设计系统（ADS）进行了仿真。

天线顶视图，(b) 天线侧视图，其中Ws= 85 mm，Ls =100 mm, Wp= 38.9 mm，Lp= 37.2 mm，Lf= 52.1 mm，W= 1.61 mm，D= 25.64 mm，B=C = 21 mm 和 A = 29.69 mm，(c) 带有功率合成器的双级整流器。)

III. 谐波抑制天线分析

A. 天线回波损耗和谐波抑制特性

基于第二节中提出的天线几何设计，通过矩形和直角孔径耦合缝隙对天线进行了仿真，以研究其谐波抑制能力。由于矩形孔径耦合缝隙具有较强的耦合[12]，已受到广泛关注。图2(b)展示了所设计的矩形孔径耦合缝隙。为了实现孔径耦合缝隙的最佳性能，其宽度必须满足以下条件 (1)：

$$
W < \frac{\lambda_0}{2}
$$

其中，W 是矩形孔径耦合缝隙的宽度，λ₀ 是自由空间波长。

带有矩形孔径耦合缝隙的天线在2.45 GHz处进行了优化，可实现24.99 dB的回波损耗。然而，如图3所示，在4.5 GHz和6.6 GHz处产生了谐波。

由于矩形孔径耦合缝隙的谐波抑制能力有限，因此设计了一种具有高次谐波抑制能力的新孔径耦合缝隙，其基于勾股定理，如图2(b)所示。两边“B”和”C” 正交且长度相等，而斜边“A”与直角相对。在直角三角形中，三边之间的关系如公式(2)所示。

$$
A^2 = B^2 + C^2
$$

采用直角孔径耦合缝隙的天线被加工并进行了实测，以验证天线性能。图4展示了天线回波损耗的对比结果。尽管FR‐4基板具有较高的损耗，该天线仍能在高频达到 10 GHz时实现谐波抑制。

B. 天线增益

直角孔径耦合缝隙天线可实现7.68分贝的增益和‐0.918的总效率，如图5所示。实测增益为7.13分贝。仿真与实测天线增益之间存在微小差异，这是由于FR‐4介电常数容差变化所致。

C. 空气间隙效应对天线增益的研究

该天线设计带有空气间隙以提高天线增益。首先对无空气间隙的天线进行了仿真，但获得的增益较低。通过将天线的空气间隙从1毫米变化到10毫米，研究其对天线增益的影响，如图6所示。研究发现，在5毫米空气间隙时可实现最高7.68分贝的增益。当空气间隙大于5毫米时，辐射贴片与馈线之间的耦合变弱，导致天线增益下降。

IV. 整流电路分析

两级整流电路用于将天线收集的交流信号转换为直流电压。如图2(c)所示，整流器的两级通过一个功率合成器组合在一起。该具有三个端口的功率合成器在2.45 GHz下进行仿真。如图7所示，功率合成器的回波损耗S₁₁小于‐40 dB。S₂₁和S₃₁约为‐3 dB，表明端口1和端口2之间具有良好的隔离性。

在‐20分贝毫瓦到20分贝毫瓦的不同输入功率下，对两级结构的输出直流电压进行了仿真，如图8所示。在20分贝毫瓦的输入功率下，双级结构提供的最大输出直流电压为12.4伏特，而整流器的单级结构在同一输入功率下的最大输出电压为5.7伏特。根据(3)，双级结构的输出电压几乎是单级结构的两倍。

$$
V_{\text{out}} \approx 2 \times V_{\text{single}}
$$

两级整流器的输出直流电压测量结果如图9所示。与仿真得到的输出电压相比，测得的输出电压有所下降。这是由于制造工艺以及FR‐4基板介电常数的变化所致。

V. 集成整流天线分析

孔径耦合天线和两级整流器通过公对公SMA连接器集成，如图10所示。

在对集成整流天线进行测量时，将所提出的整流天线放置在距离发射喇叭天线50厘米的位置。发射喇叭天线以2.45 GHz频率发射信号，增益为10分贝各向同性。接收整流天线的输入功率（Pᵢₙ）取决于发射喇叭天线发射的功率密度（P_d）以及接收天线的有效面积，如式(3)所示。

$$
P_{\text{in}} = P_d \cdot A_{\text{eff}}
$$

其中，P_t 是发射喇叭天线的发射功率，G_t 是发射喇叭天线的天线增益，R 是发射喇叭天线与接收整流天线之间的距离，λ 是自由空间波长，G_r 为接收天线增益。

发射天线发射的功率密度和接收天线的有效面积可分别使用公式（4）和公式（5）计算：

$$
P_d = \frac{P_t G_t}{4\pi R^2}
$$

$$
A_{\text{eff}} = \frac{\lambda^2 G_r}{4\pi}
$$

在不同负载电阻 R_L 下测量输出电压 V_o，以获得输出直流功率 P_out，如 (6) 所示：

$$
P_{\text{out}} = \frac{V_o^2}{R_L}
$$

根据测量结果，在4千欧姆的最佳负载电阻下，可利用(7)获得较高的射频‐直流转换效率(η)

$$
\eta = \frac{P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}} \times 100\%
$$

图11显示了在不同输入功率下的输出直流电压和转换效率。所提出的整流天线在输入功率为20分贝毫瓦、负载电阻为4千欧姆时，可实现78.7 %的转换效率和2.97伏特的输出直流电压。

VI. 结论

本文提出了一种在2.45 GHz下高效且低成本的整流天线设计。该天线可提供高增益和谐波抑制特性。将两级整流器与高增益谐波抑制天线集成，以提高整体整流天线的转换效率。所提出的整流天线在20分贝毫瓦的输入功率下可实现78.7%的转换效率。由于无需使用谐波抑制滤波器并采用FR‐4基板，该整流天线因成本低而适用于射频能量收集应用。