射频能量自捕获天线系统研究

【摘 要】射频能量自捕获天线系统设计一种对高频电磁信号能量高效响应天线，可应用与能量自捕获电源方案的整体设计。研究射频能量自捕获技术，并对各种类型接收天线的性能进行分析，通过软件仿真优化设计一种性能稳定高效的偶极子天线。对样品天线的性能测试显示，该天线在电磁环境下瞬间响应，并有微弱电流输出，储能模块中能量有所增加。结果显示该天线可以满足高频信号能量自捕获电源方案中天线的要求。

【关键词】能量自捕获电源；阵列天线；偶极子天线；HFSS

0 引言

随着无线传感网络的发展自供能电源成为研究的热点，在基于高频信号能量自捕获电源系统中设计一种高效接收天线就成为必要，该天线可以提供一个较高的初级电压，为能量自捕获电源的设计提供了保障。

2010年日本Hiroshi Nishimoto尝试收集电视信号能量给WSN供电。2011年，美国乔治亚理工学院将撷取自半公里远的电视发射台电磁能量，驱动温度传感器。2013年，加拿大卡尔顿大学对无线传感器网络节点整体及各模块做出了理论介绍[1]。国内的研究都处于理论阶段。2012年浙江大学在其硕士论文提出了一套无线传感器网络节点的硬件设计方案[2]。本文设计一种高效的接收天线，用于收集电磁波的能量，并通过超级电容或电池等存储器件将能量存储起来，为能量自捕获电源提供能量输入。加上智能电源管理模块，能为低功耗无线传感器网络节点供电。通过软件仿真设计了一种偶极子天线，并对天线样品测试，其结果与预期符合，达到设计目的。

1 系统总体方案

如图1所示为天线系统设计框图，先对环境中电磁波进行能量密度分析，选择适合选定电磁信号频率的接收天线类型，对天线参数进行计算机仿真，然后制作天线样品，再在整个电源系统中进行测试，进一步进行优化。

图1 系统方案框图

2 天线系统设计

2.1 环境电磁波谱分析

通过分析数百kHz的AM广播信号，几十MHz的FM广播信号，数百MHz的TV信号，可以确定能量密度较高的波段约为900MHz和1800MHz的GSM信号，2.4GHz的ISM信号，最大能量密度值出现在1.8GHz-1.9GHz频段，如图2所示[3]。

图2 环境电磁波能量频谱图

参考不同时刻环境中电磁能量密度的分布情况如图3，考虑实际中手机信号覆盖范围较广，以及无线通信对频率的相关规定，确定系统工作中心频率为915MHz。

2.2 天线选型

图3 不同时刻环境中电磁能量密度

2.2.1 微带阵列天线

阵列天线的构成是阵列形式的，根据天线馈电电流、间距、电长度等不同参数来构成阵列，以获取最好的辐射方向性，这就是阵列天线的优点，它可以根据需要来调节辐射的方向性能[4]。

2.2.2 八木天线

八木天线的优点是它有很好的方向性，较偶极天线有高的增益。用它来测向、远距离通信效果特别好。再配上仰角和方位旋转控制装置，就可以与包括空间飞行器在内的各个方向上的电络。

2.2.3 偶极子天线

偶极子天线是用来发射和接收固定频率信号的一种天线。SCHWARZBECK偶极子天线的频率范围由30MHz～4GHz。其中的VHAP和UHAP是一套精确偶极子天线，特别适用于场地衰减和天线系数的测量[5]。

2.3 软件仿真

根据HFSS对天线各项参数进行仿真验证的流程与方法，从设计环境的搭建到软件下载，从创建工程文件、天线模型到仿真结果输出、优化，对天线结构进行了详细的分析与设计[6]。

在HFSS中创建如图4所示的印刷半波偶极子天线参数化模型，仿真分析出该天线模型的性能。分别分析偶极子的长度、三角形的大小和传输线的长度对天线性能的影响。

图4 印刷偶极子天线参数化模型

材质：上下金属片为铜；基板玻璃布-环氧树脂覆铜箔板FR-4；介质基板处于空气之中，空气介质模型的长宽高分别为，160mm，210mm，70mm。图3中浅色在上层，深色在下层，建成的模型如图5所示。

通过对仿真环境设置边界条件、激励方式，模型建立和求解设置等，进行仿真计算，设计出天线模型。

2.4 天线性能仿真测量

2.4.1 S参数设计与测试

图5 HFSS中的模型

S参数是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络，以表征微波网络性能。在各个S参数中，（图6）是入射端反射系数，式中表示入射端的反射波，表示入射端的入射波，值越大被反射的能量越多，天线接收的辐射能量越少，设计时尽量使取最小值。

图6 回波损耗随频率变化曲线

图7 印刷偶极子天线的立体方向图

2.4.2 方向图测试

图7为天线的立体方向图，方向图上任意一点的角度对应了实际辐射的角度，而对应点的矢径对应该方向上的辐射场大小。因为偶极子天线本身的最大辐射方向在垂直于振子的方向上，所以最大辐射方向在Z方向上，而Y方向上辐射最小。

2.4.3 输入阻抗

阻抗匹配一般分为两部分，共轭匹配和无反射匹配，共轭匹配是指信号源和传输线之间的匹配，目的是信号源有最大功率输出给传输线。无反射匹配指传输线输入的能量都能被负载所吸收，获得最大能量利用率。输入阻抗体现的是负载吸收能量的能力，为了实现阻抗匹配，获得最大能量利用效率，应使输入阻抗和输入传输线的特性阻抗相等或者尽量接近。从图7中可以得出，在中心频率915MHz时，阻抗的实部为46.46，表示了部分的能量发热损耗，虚部为2.03，表示有小部分的能量的反射损耗，整体输入阻抗Zin=46.46+j2.03，这个值已经很接近50欧姆的完全匹配效果了[7] 。据图8可知，当L1=50mm时阻抗能得到很好的匹配。天线表面电场强度分布情况如图9。

图8 输入阻抗曲线

图9 天线表面电场强度分布

2.5 天线软件仿真设计结果

各项参数的优化结果为臂长L2=63.2mm，微带线长L1=50mm，L3=10mm，L4=12mm。

3 天线的制作

采用感光湿膜法制PCB的方法制作天线[8]。

第一步 涂感光膜。将液体感光湿膜和稀释剂以1：1的比例混合后，用硬毛刷均匀地涂在覆铜板上。

第二步 设计掩模板。掩膜板用电路设计软件Altium Designer直接在PCB文件中绘制。

第三步 光刻。光刻用紫外灯，功率8W，距离5cm，时间10～15分钟。

第四步 显影。显影剂10克溶于900ml―1000ml水中，显影的最佳温度为30℃左右。时间为3分钟左右。

第五步 刻蚀。刻蚀液可以用三氯化铁、双氧水或蓝色环保刻蚀剂，本次使用第三种，将刻蚀剂190克溶于650ml水中，刻蚀时间约为40分钟（用热水配液可缩短时间）。

第六步 脱膜。脱膜剂10克溶于700ml水中，将刻蚀完全后的感光板置于脱膜液中，数分钟后膜变软脱落，取出后立即用水冲洗，膜就可以去除干净，表面也不会被氧化。

第七步 镀锡。为了防止铜氧化，要在铜表面镀一层锡，本次采用化学镀锡法，在镀锡溶液里将覆铜板浸泡5分钟即可。焊接好天线接口就完成了天线实物制作，做好的天线如图9所示。

图10 偶极子天线样品

4 结论

制作的偶极子天线，并将其与能量自捕获电源系（下转第33页）（上接第32页）统结合，在自然环境中对能量自捕获电源系统测试，实验结果表明偶极子天线对能量自捕获电源可提供6V电压和能量输入，测试验证了该天线可以满足射频能量自捕获系？统对输入能量的要求。

【参考文献】

[1]Harry Ostaffe，Bharat Rawal.射频能量采集技术新发展[OL].佳工机电网，2011.

[2]江发昌.无线充电传感器网络系统及应用[D].2012.

[3]D.BOUCHOUICHA，F.DUPONT，M.LATRACH，L.VENTURA.Ambient RF Energy Harvesting[J].STMicroelectronics，2010：23-25.

[4]张钧，刘克诚，张贤铎，赫祟骏.微带天线理论与工程[M].北京：国防工业出版，1988.

[5]章文勋.天线[M].3版.电子工业出版社，2004.

[6]李明洋.HFSS电磁仿真设计应用详解[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[7]赵姚同，周稀朗.微波技术与天线[M].3版.南京：东南大学出版社，2003.

[8]曾峰，巩海洪，曾波.印刷电路板（PCB）设计与制作[M].2版.2005.