能量收集天线助力无线传感器

　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。