低功率密度下具有通信功能的整流天线

·31· 低功率密度下具有通信功能的整流天线 江 超 杨雪霞 龚 波 王业清 （上海大学通信与信息 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，上海，200072） 摘 要：本文 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了一种在低功率密度条件下具有通信功能的整流天线。采用双端口馈电的双极化微带天 线，其中垂直极化端口用于整流，水平极化端口用于通信，分别工作于 5.8GHz 和 6.1GHz。通过等效 电路 模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案 分析及软件仿真，整流电路在 10mW 接收功率下获得了 65%的实测整流效率。将接收天线和整流电路组合 测试，在 2 mW/cm2 功率密度下获得 62.5%的实测整流效率。该整流天线可运用在需要通信功能的低功耗电 子器件供能中。 关键词：整流天线，低功率密度，双极化 Rectenna with Communication Function in Low Power Density Jiang Chao，Yang Xue-xia，Gong Bo，Wang Ye-qing （School of Communications and Information Engineering，Shanghai University，Shanghai 200072） Abstract：A rectenna with communication function in low power density is presented in this paper. A dual- polarized microstrip antenna is fed by two ports，including communication port and rectifying port whose operating frequencies are 6.1GHz with horizontal polarization and 5.8GHz with vertical polarization，respectively. After equivalent circuit analysis and software simulation，the rectifying circuit obtains 65% RF-DC efficiency under 10mW input power. The measurement result of rectenna shows that 62.5% conversion efficiency is realized under 2mW/cm2 power density. This rectenna can be applied in low power electronic appliances to meet communication demand. Keywords：rectenna; low power density; dual polarization 1 引言 整流天线是无线输能系统中的核心器件，拥有 通信功能的整流天线更具实用性。文献[1]提出了一 种工作在 WLAN 频段的整流天线，满足传感器通 信的同时利用无线输能给电池充电。文献[2]采用整 流天线和回溯天线一体化设计，在实现整流功能的 同时还将跟踪信号返回到发射端。另外，实现通信 和整流的复用还可利用双端口双极化天线[3]。 整流天线可能存在高次谐波的重辐射而导致效 基金项目：上海市重点学科和特种光纤与光接入网省部共建重点实验室 项目（S30108，08DZ2231100） 率的下降，因此需要进行谐波抑制 [4]-[8]，文献 [4][5]把带通滤波器嵌入接收天线的后端来抑制谐 波，但整体结构的尺寸往往较大。文献[6]利用了天 线馈线上附加扇形枝节来抑制谐波，文献[7]采用馈 线上的缺陷地结构对天线的高次谐波进行抑制。从 本质上说，这类天线都不能称为谐波抑制天线，而 文献[8]提出的口径耦合天线在无外加滤波器就可以 实现 2-3 次谐波的抑制。 本文提出了一种具有通信功能的整流天线，它 包含了双端口双极化的微带天线以及工作在低功率 密度下的整流电路。接收天线双端口具有较高隔离 度，减少了端口之间的相互影响。根据 IEEE 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 定 义 5.8GHz 长 时 间 暴 露 功 率 密 度 不 超 过 3.87mW/cm2 [9]，该整流天线工作在 2mW/cm2 的功 ·32· 率密度下，具有相对较高的安全性，为无线设备提 供直流电能和通信功能。 2 整流天线的设计 整流天线由接收天线和整流电路组成，为了独 立评价两者的性能，因此将天线和电路单独设计并 测试，然后组合测试整流天线的性能。 2.1 双极化接收天线 为了使接收天线同时具有通信和整流功能，并 且满足两者的干扰尽可能地小，采用了双端口馈电 的双极化天线。如图 1 所示，天线由双层介质板构 成，上层是方形贴片，介质板的中间是两个相互垂 直的“工”字型耦合口径，底层是两条馈线，其中 端口 1 是工作在 6.1GHz 的通信端口，端口 2 是工 作在 5.8GHz 的输能端口。两个端口在工作时分别 辐射的是水平极化波和垂直极化波。该天线具有极 化隔离的特性，因此最大程度减少了两端口之间相 互串扰的影响。 a d s l 1 l 3 Δl 图 1 天线结构图 天线结构参数如 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1 所示，辐射方形贴片边长 a 决定了天线工作频率；缝隙口径面积的大小决定 耦合的强弱，同时也影响了工作频率，且面积越 小，耦合越强，频率越高；馈线的宽度 w 为 50特 性阻抗，以满足和后端整流电路端口匹配；馈线 l1、l2、l3 的长度对天线匹配没有影响，而 Δl 的长 短可以调节天线输入阻抗的大小，是调节匹配的重 要参数。 \ 表 1 天线尺寸（单位：mm） a s d h g 13.8 0.8 3.1 0.8 2.5 w l1 l2 l3 εr 2.2 20 8.5 18.1 2.55 天线端口的回波损耗和隔离度如图 2 所示，测 试和仿真数据相对吻合。从测试数据看，端口 1 工 作在 6.1GHz，回波损耗为-20dB；端口 2 工作在 5.8GHz，回波损耗为-40dB；两端口的隔离度在整 个工作频带内小于-25dB。图 3 是天线辐射方向图 中主极化和交叉极化仿真数据，图 3（a）是端口 1 馈电时的方向图，主极化增益为 7.5dB，交叉极化 小于-30dB；图 3（b）是端口 2 馈电时的方向图， 主极化增益为 7.2dB，交叉极化小于-25dB。由此可 见，这种天线结构具有较高的极化隔离度。 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0 6.2 6.4 6.6 -40 -30 -20 -10 0 S - pa ra m et er s( dB ) Freq(GHz) S22 measured S22 simulated S11 measured S11 simulated S21 measured S21 simulated 图 2 天线的 S 参数测试与仿真 -180 -120 -60 0 60 120 180 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 G ai n( dB ) Theta(deg) x-polar E co-polar E co-polar H x-polar H （a）水平极化及其交叉极化 ·33· -180 -120 -60 0 60 120 180 -40 -30 -20 -10 0 10 G ai n( dB ) Theta(deg) co-polar E x-polar E x-polar H co-polar H （b）垂直极化及其交叉极化 图 3 仿真辐射方向图的极化对比 2.2 整流电路 整流电路的等效电路如图 4（a）所示，包括信 号源、电容、电感、二极管和负载。其中 C1 是隔 直电容；L 是高频电感，它允许直流流通而阻隔高 频信号的回流；二极管是整流电路的核心器件，由 于其非线性效应，流过二极管的高频信号将产生直 流分量；C2 是滤波电容，它一方面阻隔了二极管产 生的直流分量的回流，另一方面过滤了高频分量； 最后负载上就获得了直流能量。 微波整流电路采用的是微带传输线结构，如 图 4（b）所示，由输入匹配电路、二极管、输出匹 配和滤波器组成。前端输入匹配枝节使得电路在工 作频率下获得较好的 S11 性能；采用 λg/4 短路枝节 线来实现等效电感；肖特基整流二极管跨接在两端 微带线上，其负极和输入匹配中的短路枝节相连， 也就实现了直流接地；二极管正极与相当于 C2 的 开路扇形带阻滤波器相连。因此，在工作状态下， 后端微带线与地板之间就存在着二极管产生的压 差，即可给外设的负载提供直流能量。 （a）等效电路 （b）微带结构的整流电路 图 4 整流电路及等效电路 整流电路的测试结果如图 5 所示，eff 和 Vdc 分 别表示整流效率和输出电压。整流效率的计算根据 公式（1），即为负载上获得的直流能量与接收功率 之比。 2 dc dc in l in P Veff P R P   （1） 图 5（a）是效率、电压随负载变化曲线，当输 入功率为 10mW，工作频率为 5.78GHz 时，900 负载两端获得 2.42V 直流电压，达到 65%的效率； 图 5（b）是效率、电压随输入功率变化曲线，当工 作频率为 5.78GHz，负载为 900时，在 25mW 的 输入功率下可以获得接近 4V 的直流电压，此时达 到最高为 69%的整流效率。由于二极管的结电阻对 输入功率变化较敏感，若此时继续增大输入功率， 电路的输入阻抗将失配，导致效率迅速下降。 600 800 1000 1200 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 ef f Rl (Ohm) eff pin=10dBm, Freq=5.78GHz V dc (V ) Vout （a）效率、电压随负载变化曲线 5 10 15 20 25 30 35 40 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 ef f Pin(mW) eff Freq=5.78GHz, Rl=900 Ohm V dc (V ) Vout （b）效率、电压随输入功率变化曲线 图 5 整流电路测试结构图 3 整流天线的实验 计算整流天线的接收功率可根据 Friis 传输 方程： 2( ) 4r i e t t r m P S A PG G L D    （2） 其中 Pt、Gt、Gr、Lm、D 分别表示发射功率、 发射天线增益、接收天线增益、极化损耗及传输距 离。λ对应 5.8GHz 时自由空间的波长。 ·34· 在输能端口工作时，天线增益为 7.2dBi，即在 工作频率下的有效面积为 11.17cm2，若此时天线所 处 1mW/cm2 的电磁环境中，则天线将接收到 11.17mW 的能量作为输入功率。但这部分能量是否 全部进入整流电路取决于电路的匹配和损耗程度。 由于接收的天线的加入，整流效率最高所对应 的频率点从原来的 5.78GHz 变化到 5.79GHz，更加 接近天线的最佳回波损耗频点。整流天线测试结果 如图 6（a）所示，效率随负载的变化趋势与整流电 路的测试结果吻合，且最佳负载点依然保持在 900。图 6（b）是效率随输入功率变化曲线。当 接收功率为 22mW 时达到了 62.5%的最高整流效 率，输入功率的变化趋势同样吻合整流电路的测试 情况。整流天线在 2mW/cm2 的低功率密度电磁环 境中达到最佳转换效率。 600 800 1000 1200 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 ef f Rl(Ohm) Pr=22mW, Freq=5.79GHz （a）效率随负载变化 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 ef f Pr(mW) Freq=5.79GHz, Rl=900 Ohm （b）效率随接收功率变化 图 6 整流天线测试结果 4 结论 本文设计了一种具有通信功能的整流天线，利 用双端口馈电的双极化微带天线实现较高的端口隔 离度，整流频率和通信频率分别工作在 5.8GHz 和 6.1GHz。在频率为 5.79GHz，2mW/cm2 的低功率密 度下，可获得 62.5%的整流效率。该整流天线可工 作在较安全的低功率密度电磁环境中，同时还易于 组阵。 参 考 文 献 [1] Ali M. ， Yang G. ， Dougal R. ， "A new circularly polarized rectenna for wireless power transmission and data communication，" IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，vol.4，pp. 205- 208，2005. 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When the angle between the embranchment and the loaded branch is fit for the golden section，the extent of size-reducing of the antenna is the best. This antenna can be widely used in compact structure antenna design. Keywords：tree-shaped fractal; miniature; fractal antenna 1 引言 自法国数学家 B.Mandelbrot 于 1975 年提出 “分形”这一概念以来，分形电动力学就以一门新 的学科得到了广泛的发展。分形天线正是分形电动 力学的具体应用之一 [1]。 近年来，作为分形天线的一个重要组成部分， 树状分形天线的研究受到了越来越多的关注。 C.Puente 提出的分形树天线由于其尽量模拟树的形 状而不易推广[2]；J.P.Gianvittorio 和 D.H.Werner 等 提出了一种更简单的树形天线，做到了增加带宽和 尺寸缩减[3][4][5]；文献[6]研究了树状分形天线的多 频特性；文献[7]、[8]研究了 Fibonacci 分形树天线 的尺寸缩减特性；文献[9]研究了树状分形天线的超 宽带特性；文献[10]通过对树状天线进行顶端加载 实现了小型化；文献[11]研究了单极子树状分形天 线的多频与尺寸缩减特性。 树叶作为自然界中树的重要组成部分，也具有 典型的分形结构。将叶状结构抽象设计即可得到本 章所研究的新型树状分形天线。本章首先介绍了新 型树状分形天线的几何生成过程，仿真结果表明， 新型天线具有良好的小型化特性，2 阶分形天线与 普通单极子天线相比，其谐振频率下降了 17.1%。 当分支线角度与被加载线段夹角符合黄金分割率 时，其小型化程度最高。对上述天线进行了实物加 工与测量，实验结果与仿真结果吻合良好。 2 天线的几何描述及设计 2.1 天线的几何描述 本文提出的新型叶脉状分形天线的结构如图 1 所示，其迭代过程为：将长度为 1 的单极子天线