能量收集片状天线助力无线传感器

能量收集是给通信系统中包括天线在内的各种射频/微波元器件供电的一种有效方法。通过为自主射频标签(RFID)系统和无线传感器等类似应用收集能量，就能开发出无需额外电池的自我供电解决方案。为了展示这种可能性，本文设计了一种能量收集片状天线阵列，可以用于从周边能源捕获尽可能多的射频能量。

为了尽可能降低成本，天线采用低成本的FR-4印刷电路板(PCB)材料制造。开发的这种矩形片状天线阵列工作在2.45GHz的工业、科学和医疗(ISM)频段，在矩形片状振子上设计了额外的凹槽以提高增益。这个天线设计中还包含了一个导通发光二极管(LED)，用于指示捕获到的电压值在0.01Vdc至3.94Vdc间的能量。

采用“智能”技术的光线传感器和其它电子器件已经开始影响许多人的生活。这些传感器可以检测室内的光线明暗程度，然后在光线降低到设定亮度时自动开灯。这种智能系统不仅有助于改善人们的生活质量，而且有利于节省能量和成本。这种对能量的智能使用可以应用于没有电池的遥控器以及采用收集能量工作的移动电话充电器。

研究人员已经开发出各种方法用于从外界提取环境能量，并将它转换为电能供低功耗传感器等应用使用。借助自我供电的无线传感器和自主能量，这种收集到的能量可以催生出许多新的“绿色”电子设备。环境中存在的能量可以从各种源进行复用，包括太阳能、磁能、振动和射频/微波能。后者在开放空间中可以免费获得，并可以通过合适的接收天线捕获到并整流成可用的直流电压。

近年来，随着基于传感器的无线网络和其它应用数量的不断增加，电池供电的使用得到了非常快速的增长，但电池只能提供有限的寿命和固定的能源供给率。而诸如片状天线等能量捕获天线可以从环境中捕获能量，进而替代电池。目前市场上有许多不同的片状天线，包括蛇形线天线(MLA)、线性极化天线和圆形极化天线。本文将讨论这些不同的配置，以求找到适合能量收集的最佳天线拓扑，以及能够将射频信号转换成直流电压以替代电池的电路。

为了最大化覆盖率，大多数通信系统使用全向辐射图案的天线。能量收集系统就是要靠捕获其中一些可用的能量。可用能量的数量是很大的，但只能少部分能被收集到，因为一些能量通过热的形式散发了，或被其它材料所吸收。射频能量收集系统由微波天线、预整流滤波器、整流电路以及将输入电磁(EM)波整流成直流电流的直流低通滤波器(LPF)组成。整流电路可以是多种类型中的任意一种——比如全波桥式整流器或采用单个分流器的全波整流器。

为了实现最优的电力传送，在天线和整流器之间使用了低通滤波器(LPF)进行阻抗匹配。一旦信号经过整流后，就用直流低通滤波器，通过衰减环境中存在的射频信号中的高频谐波，来平滑输出直流电压和电流。在将能量传送给整流二极管之前尽量收集最大的功率，然后抑制由二极管产生、并从天线那里辐射出来作为损失功率的谐波。

有许多因素影响有效的能量收集，包括天线发射功率、天线接收功率、转换效率和转换电路分析。为了提高转换效率，必须实现多种天线设计，包括天线阵列和圆形极化天线。宽带天线可以从各种源接收相对高的射频功率，而天线阵列可以增加提供给二极管进行整流的入射功率。图1显示了硅整流二极管天线的框图。


图1：这张框图显示了在ISM频段使用的硅整流二极管天线。

计算机仿真技术公司开发的CSTMicrowave Studio套件2011版用于设计和仿真高增益能量收集天线，而Keysight Technologies公司开发的高级设计系统(ADS)2011版用于设计和仿真整流电路。天线和整流电路在FR-4 PCB材料上制作，方便实际测量值和仿真结果的比较。图2显示了天线设计过程的流程。


图2：这个系统流程图显示了能量收集天线系统的设计过程。


图3：这是能量收集天线的侧视图。


图4：这些不同的视图显示了能量收集天线的(a)前视图、(b)底视图和(c)后视图。

这种天线是为ISM频段的应用设计的，并在低成本的电路基板材料上用光刻图案和蚀刻技术进行制造。如图3所示，天线由底部的地平面、FR-4电路基板和微带贴片天线之间的空气间隙以及额外凹槽组成(图4是天线的其他视图)。贴片天线和地平面都是由铜组成的。天线由位于传输线中心的同轴馈电连接器进行激励。当工作在2.45GHz时，可以用以下公式计算微带贴片天线的宽度和长度：



其中：c=光速；f=工作频率(2.45GHz)；εr=PCB基板的相对介电常数；εreff=PCB基板的有效相对介电常数。

为了达到良好的隔离效果，天线的相邻振子应相隔至少目标频率对应波长的二分之一(λ/2)。我们分别在天线振子间距为5.8cm(0.4737λ)、6.1cm(0.4982λ)和6.5cm(0.5310λ)时做了隔离性能测试，最后发现间距为6.1cm时可以在优化后提供最佳的性能。

微带天线不仅经常被用作单振子元件，而且也被用作阵列——尤其是在需要创建单振子天线无法实现的图案时。微带阵列的馈电网络可以用梯形传输线将100Ω天线贴片振子匹配到50Ω输入端口或四分之一波长阻抗转换器来实现。

当前设计采用了锥形线和天线阵列，其中的天线阵列由位于最厚传输线中间的探针以SMA兼容的50Ω阻抗馈电。对于Z0 = 50 Ω的特征阻抗，分到两条馈电线的阻抗是100Ω。

整流电路的设计基于的是对该电路的传输线计算。用于能量收集系统的基本整流器设计由一个二极管和一个电容组成。选择这种简单设计的原因是尽量减小二极管损耗。为了实现快速开关速度和低压降的目的，本文选择了Keysight公司的型号为HSMS-286B二极管。

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。

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。

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。