一种应用于2．45GHz的微带整流天线设计

摘要：为实现对低功耗负载的微波供电，设计了应用于2．45 GHz的微带整流天线。在接收天线设计中，引入了光子晶体(PBG)结构，提高了接收天线的增益和方向性；在低通滤波器部分引入了缺陷地式(DGS)结构，以相对简单的结构实现了2．8 GHz低通滤波器特性；最后通过ADS软件设计得出了用于微带传输线与整流二极管间的匹配电路。将接收天线、低通滤波器和整流电路三部分微带电路进行整合，完成整流天线的设计。通过实验测试，该整流天线的增益为4．29 dBi，最高整流效率为63％。通过引入光子晶体结构和缺陷地式结构，在保证整流天线增益和整流效率的基础上，有效地减小了天线的尺寸，简化了设计方法。
关键词：整流天线；光子晶体结构；缺陷地式结构；无线能量传输

微波无线能量传输技术提出于上世纪60年代，1964年威廉，布朗成功验证了一个可以把微波能量转换成直流输出的硅整流二极管天线。该技术现已应用于太阳能卫星、无人机驱动、两地远距离电能传输等大功率传输场合。在集成电路和半导体技术飞速发展的今天，无线能量传输技术越来越多地应用于低功耗电子设备中，如射频识别系统、无线传感器网络、微机械系统。其中，整流天线扮演着重要的角色，得到了很大的发展。近年来，微带电路被广泛应用于整流天线的设计：微带天线具有体积小、成本低、重量轻、易于实现等优点，并且微带电路设计简单、易于系统整合，与传统电路相比，微带电路具有得天独厚的优势。
2004年科罗拉多大学设计并研制出了应用于2．45 GHz和5．8 GHz的双频段圆极化宽带整流天线阵列，该设计将传统的阿基米德螺旋天线引入到了整流天线的设计中，在X波段整流效率可达到60％°2010年美国俄亥俄州立大学完成了基于分形结构的整流天线设计，该整流天线的整流效率到达了70％。自1994年电子科技大学林为干院士在国内首次引入微波无线能量传输这一概念以来，国内对整流天线的研究也不曾停止过。在文献中，上海大学学者提出了整流天线优化设计的一体化分析模型，研制出了圆极化整流天线，其整流效率达到了58％。2010年哈尔滨工业大学完成了基于八木印刷天线的整流天线设计，并且将整流天线应用于微型机器人的供电系统。虽然很多学者都对整流天线的设计进行了研究，但是还存在结构复杂、尺寸较大、不易加工等缺点，很难应用于微系统，因此实现小尺寸整流天线是很有必要的。
本文对传统的整流天线进行了改进，通过新型结构减小了整流天线的整体尺寸。首先引入了光子晶体结构，对传统微带贴片天线进行了改善。通过抑制天线表面波所产生的高频分量，提高了天线的增益和方向性。其次在低通滤波器设计中引入了缺陷地式结构，通过简单的缺陷地式结构，实现了2．45 GHz低通滤波器特性。再次，设计了微带整流电路，最终得出了应用于2．45 GHz整流天线的整体设计。光子晶体结构和缺陷地式结构的引入有效地简化了整流天线的设计，更加便于系统的集成。

1 整流天线设计
整流天线主要由接收天线、低通滤波器、整流电路与输出低通滤波器4部分构成，在接收端由天线接收微波束的能量，整流电路通过整流二极管将接收到的微波能量转化为直流能量输出。但是由于二极管是非线性器件，它除了产生直流外，还会产生影响系统性能的二次、三次等高阶次谐波，这些高次谐波会严重影响前端接收天线的工作特性，进而影响整流天线的整流效率。于是在接收天线和整流电路之间加入低通滤波器就很有必要了，低通滤波器可以将这些高次谐波反射回整流二极管中进行二次整流，从而提高系统的整流效率。另外，在输出端引入输出低通滤波器，可以有效防止直流以外的高频能量输出，同样有效地提高了整体电路的整流效率。
1．1 光子晶体天线设计
光子晶体天线是指将微波毫米波光子晶体结构(Photonic Band—Gap，PBG)应用于天线设计中。它利用了光子晶体结构的禁带特性，使一定频率范围内的电磁波不能在其表面传播。这种结构可以抑制天线工作时所产生的高次谐波，从而可以在一定程度上提高天线的增益和方向性。
设计光子晶体天线一般基于以下原则：光子晶体数目一般取4到5个周期，并在整体设计中与天线处于对称位置。为保证在引入光子晶体结构后，天线的性能不产生根本性的变化，地板上光子晶体结构中方孔边长一般取四分之一波长，即λg。在方孔半径与方孔间距比值为1／4时，效果最佳。
本文的微带天线采用传统矩形贴片天线内嵌式馈电设计，基于光子晶体结构的设计原则，对地板进行了PBG周期性结构设计，如图1(a)所示，具体参数指标如下：W1=30mm，L=31mm，W2=16mm，W3=1．9mm，a=6．6mm，b=7mm，微波介质板采用FR4，介电常数为4．4，厚度为1mm。

对传统矩形天线和光子晶体结构天线分别进行仿真，对比其反射参数如图1(b)所示，可以很明显地看出光子晶体结构对天线高次谐波的抑制作用，该天线的增益为3．69 dBi。
1．2 缺陷地式结构低通滤波器设计
1999年，韩国学者在光子晶体结构研究基础上，提出了将缺陷地结构(Defected Ground Structure，DGS)用于滤波器设计。DGS结构通过影响地板上传导电流的分布改变了微带传输线的特性，使得微带线具有了良好的通带慢波特性和带阻特性。与传统低通滤波器相比，该结构使得滤波器的设计结构更加简单紧凑，并且拥有更好的频响特性和更小的尺寸，易于系统集成。1999年，韩国学者在光子晶体结构研究基础上，提出了将缺陷地结构(Defected Ground Structure，DGS)用于滤波器设计。DGS结构通过影响地板上传导电流的分布改变了微带传输线的特性，使得微带线具有了良好的通带慢波特性和带阻特性。与传统低通滤波器相比，该结构使得滤波器的设计结构更加简单紧凑，并且拥有更好的频响特性和更小的尺寸，易于系统集成。
本文在微带线中引入U形DGS单元结构，该结构与微带线耦合，使得其等效介电常数增加、等效电感变大，从而产生阻带效应，实现低通滤波器特性。该U形DGS结构的矩形尺寸主要影响滤波器截止频率，缝隙的宽度主要影响谐振极点。因此，该U形DGS结构的频率特性主要由两个参数决定：矩形的尺寸和缝隙的宽度。图2为对传统高低阻抗低通滤波器进行的DGS结构设计，具体参数如下：W4=3．6 mm，W5=5．5 mm，W6=1．5 mm，g=0．5mm。微波介质板采用FR4，介电常数为4．4，厚度为1 mm。