【推薦閱讀】能量收集天線助力無線傳感器

2017-04-22 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

能量收集是給通信系統(tǒng)中包括天線在內的各種射頻/微波元器件供電的一種有效方法。通過為自主射頻標簽(RFID)系統(tǒng)和無線傳感器等類似應用收集能量,就能開發(fā)出無需額外電池的自我供電解決方案。為了展示這種可能性,本文設計了一種能量收集片狀天線陣列,可以用于從周邊能源捕獲盡可能多的射頻能量。

為了盡可能降低成本,天線采用低成本的FR-4印刷電路板(PCB)材料制造。開發(fā)的這種矩形片狀天線陣列工作在2.45GHz的工業(yè)、科學和醫(yī)療(ISM)頻段,在矩形片狀振子上設計了額外的凹槽以提高增益。這個天線設計中還包含了一個導通發(fā)光二極管(LED),用于指示捕獲到的電壓值在0.01Vdc至3.94Vdc間的能量。

采用“智能”技術的光線傳感器和其它電子器件已經開始影響許多人的生活。這些傳感器可以檢測室內的光線明暗程度,然后在光線降低到設定亮度時自動開燈。這種智能系統(tǒng)不僅有助于改善人們的生活質量,而且有利于節(jié)省能量和成本。這種對能量的智能使用可以應用于沒有電池的遙控器以及采用收集能量工作的移動電話充電器。

研究人員已經開發(fā)出各種方法用于從外界提取環(huán)境能量,并將它轉換為電能供低功耗傳感器等應用使用。借助自我供電的無線傳感器和自主能量,這種收集到的能量可以催生出許多新的“綠色”電子設備。環(huán)境中存在的能量可以從各種源進行復用,包括太陽能、磁能、振動和射頻/微波能。后者在開放空間中可以免費獲得,并可以通過合適的接收天線捕獲到并整流成可用的直流電壓。

近年來,隨著基于傳感器的無線網絡和其它應用數量的不斷增加,電池供電的使用得到了非?？焖俚脑鲩L,但電池只能提供有限的壽命和固定的能源供給率。而諸如片狀天線等能量捕獲天線可以從環(huán)境中捕獲能量,進而替代電池。

目前市場上有許多不同的片狀天線,包括蛇形線天線(MLA)、線性極化天線和圓形極化天線。本文將討論這些不同的配置,以求找到適合能量收集的最佳天線拓撲,以及能夠將射頻信號轉換成直流電壓以替代電池的電路。

為了最大化覆蓋率,大多數通信系統(tǒng)使用全向輻射圖案的天線。能量收集系統(tǒng)就是要靠捕獲其中一些可用的能量?？捎媚芰康臄盗渴呛艽蟮?但只能少部分能被收集到,因為一些能量通過熱的形式散發(fā)了,或被其它材料所吸收。射頻能量收集系統(tǒng)由微波天線、預整流濾波器、整流電路以及將輸入電磁(EM)波整流成直流電流的直流低通濾波器(LPF)組成。整流電路可以是多種類型中的任意一種——比如全波橋式整流器或采用單個分流器的全波整流器。

為了實現最優(yōu)的電力傳送,在天線和整流器之間使用了低通濾波器(LPF)進行阻抗匹配。一旦信號經過整流后,就用直流低通濾波器,通過衰減環(huán)境中存在的射頻信號中的高頻諧波,來平滑輸出直流電壓和電流。在將能量傳送給整流二極管之前盡量收集最大的功率,然后抑制由二極管產生、并從天線那里輻射出來作為損失功率的諧波。

有許多因素影響有效的能量收集,包括天線發(fā)射功率、天線接收功率、轉換效率和轉換電路分析。為了提高轉換效率,必須實現多種天線設計,包括天線陣列和圓形極化天線。寬帶天線可以從各種源接收相對高的射頻功率,而天線陣列可以增加提供給二極管進行整流的入射功率。圖1顯示了硅整流二極管天線的框圖。

圖1:這張框圖顯示了在ISM頻段使用的硅整流二極管天線。

計算機仿真技術公司開發(fā)的CSTMicrowave Studio套件2011版用于設計和仿真高增益能量收集天線,而KeysightTechnologies公司開發(fā)的高級設計系統(tǒng)(ADS)2011版用于設計和仿真整流電路。天線和整流電路在FR-4PCB材料上制作,方便實際測量值和仿真結果的比較。圖2顯示了天線設計過程的流程。

圖2:這個系統(tǒng)流程圖顯示了能量收集天線系統(tǒng)的設計過程。

圖3:這是能量收集天線的側視圖。

圖4:這些不同的視圖顯示了能量收集天線的(a)前視圖、(b)底視圖和(c)后視圖。

這種天線是為ISM頻段的應用設計的,并在低成本的電路基板材料上用光刻圖案和蝕刻技術進行制造。如圖3所示,天線由底部的地平面、FR-4電路基板和微帶貼片天線之間的空氣間隙以及額外凹槽組成(圖4是天線的其他視圖)。貼片天線和地平面都是由銅組成的。天線由位于傳輸線中心的同軸饋電連接器進行激勵。當工作在2.45GHz時,可以用以下公式計算微帶貼片天線的寬度和長度:

其中:c=光速;f=工作頻率(2.45GHz);εr=PCB基板的相對介電常數;εreff=PCB基板的有效相對介電常數。

為了達到良好的隔離效果,天線的相鄰振子應相隔至少目標頻率對應波長的二分之一(λ/2)。我們分別在天線振子間距為5.8cm(0.4737λ)、6.1cm(0.4982λ)和6.5cm(0.5310λ)時做了隔離性能測試,最后發(fā)現間距為6.1cm時可以在優(yōu)化后提供最佳的性能。

微帶天線不僅經常被用作單振子元件,而且也被用作陣列——尤其是在需要創(chuàng)建單振子天線無法實現的圖案時。微帶陣列的饋電網絡可以用梯形傳輸線將100Ω天線貼片振子匹配到50Ω輸入端口或四分之一波長阻抗轉換器來實現。

當前設計采用了錐形線和天線陣列,其中的天線陣列由位于最厚傳輸線中間的探針以SMA兼容的50Ω阻抗饋電。對于Z0= 50 Ω的特征阻抗,分到兩條饋電線的阻抗是100Ω。

整流電路的設計基于的是對該電路的傳輸線計算。用于能量收集系統(tǒng)的基本整流器設計由一個二極管和一個電容組成。選擇這種簡單設計的原因是盡量減小二極管損耗。為了實現快速開關速度和低壓降的目的,本文選擇了Keysight公司的型號為HSMS-286B二極管。

采樣仿真

這里采用了一種參數化的研究方法,用以確保天線工作在要求的諧振頻率(2.45GHz)。利用這種設計方法,可以調整貼片天線的長度和寬度,以及傳輸線的凹槽和長度。這些調整對反射損耗、增益和阻抗帶寬的影響是很顯著的。初始設計是沒有額外凹槽的,天線工作在2.4973GHz,反射損耗是-12.178dB。小數帶寬計算值為2.96%,天線增益為13.35dB。

額外凹槽被引入天線陣列的每個單振子用于提高性能。這樣,額外凹槽可以將天線增益提高13.51dB。參數化分析是用固定設計參數做的,長度和寬度Lf、Lb、Lp、Wp和Ls1參數除外。

以下值被應用于天線設計:Lp = 45mm, Lf = 25.5mm, Wp = 49mm。然后對設計進行仿真,發(fā)現2.408GHz點的反射損耗提高到了-46.486dB。計算得到的阻抗帶寬是3.65%,增益是13.54dB,方向性是14.04dB。

然后利用參數化研究得出的值對天線性能進行仿真,仿真發(fā)現具有額外凹槽并且Wp = 47 mm、Lp = 43 mm、Lf = 25.5 mm、Ls1 = 16 mm時的天線設計具有很高的增益。這種天線工作在2.446GHz,具有-22.938dB的反射損耗和99.4MHz(3.87%)的阻抗帶寬。同時它能實現14.08dB的高增益和14.18dB的方向性。

當只有Lp改變時(變到41mm),增益將下降到13.79dB。可以觀察到一些頻率漂移:漂移到了2.486MHz,反射損耗變成了-15.931dB。這個結果表明,貼片天線長度影響頻率。因此,為了確保在2.45GHz處的ISM頻段正常工作,Lp要設為43mm。當線路阻抗S1為61.18Ω時,2.446GHz的天線設計的阻抗匹配是59.499326Ω至8.460473Ω。

在進行集成和再次測量之前,需要分開來測量天線和整流電流。圖5和圖6顯示了這種集成之前和之后的整流電路輸出電壓測量值。測量的目的是確定天線陣列的反射損耗、輻射圖案、增益和接收功率。

圖5:這是制造過的能量收集天線的設計。

圖6:單級整流器電路和天線一起用來將射頻能量轉換為直流電壓。

天線陣列設計與2.45GHz點的單頻段功能一起工作,非常適合ISM頻段應用。圖7顯示了仿真和測量結果,其中x軸是頻率(GHz),y軸是反射損耗幅度(dB)。仿真結果表明,最佳工作頻率為2.446GHz,此時的反射損耗是-22.938dB。測量結果表明,天線諧振的最佳點是2.4502GHz,此時的反射損耗是-18.4dB。測量結果似乎顯示95%的精度,幾乎與仿真結果有相同的值。通過引入凹槽以及企業(yè)饋電網絡方法,可以實現最優(yōu)的反射損耗。

圖7:這些仿真和測量展示了在反射損耗性能方面最好的天線頻率。

天線帶寬等于同樣在3dB下降點的上限頻率減去下限頻率,見仿真和測量結果所示。圖8和圖9分別顯示了94.6MHz的仿真天線帶寬和95.8MHz的測量天線帶寬。測量結果稍好于仿真結果,但兩個值仍然非常接近。通過使用為貼片天線陣列中的每個輻射振子引入的雙槽結構以及饋電網絡安排中的饋電位置,這種帶寬還可以進一步增加。

圖8:根據電腦仿真結果,天線帶寬是94.6MHz。

圖9:根據測量結果,天線帶寬稍微變寬了,為95.8MHz。

這種多層2×2天線陣列在每個輻射振子都有額外凹槽的條件下的目標增益都大于10dB,因此可以在收集環(huán)境射頻能量時獲得很好的結果。理論上講,天線增益取決于輸送到天線輸入端子的總功率。這樣,通過仿真(圖10),為三維(3D)遠場視場實現了14.08dB的天線增益。圖11所示的仿真表明,這種天線可以產生14.18dBi的高方向性。

圖10:這些圖顯示了為能量收集天線實現的增益。

圖11:這些圖顯示了能量收集天線的方向性。

每個接收天線振子的方向性非常重要,其中每個振子都必須有指向,以便最大增益波瓣被指向發(fā)射天線,從而優(yōu)化接收能量大小。能量收集系統(tǒng)的接收天線選擇的是3dB的任意最小增益,相當于半功率束寬度(HPBW)。增益和方向性的改進是由設計中使用的多層電路結構實現的,其中的空氣間隙被置于FR-4基板和多槽微帶貼片天線之間。

圖12:這是用于能量收集天線的輻射圖案。

天線的輻射圖案也被仿真和測量。根據圖12(a)的仿真,天線以方向性的圖案輻射/接收射頻能量,這種圖案在某些方向上的輻射效率比其它圖案高。

HPBW(3dB處)是32度(見表)。如此窄的波束寬度拜天線用的薄FR-4基板材料所賜。天線主瓣幅度很重要,而旁瓣值必須減小,因為它來自于不想要的方向。

圖12(b)和(c)比較了開放環(huán)境和測試室內的天線測量結果。在這兩種情況下,天線中的電流顯示,主輻射振子位于內邊沿和近探針饋電處。因此這種天線可以提供更具方向性的輻射圖案,必須非常靠近發(fā)射天線放置。

阻抗匹配甚至表面電流的流動對這種天線來說都很重要。理論上,穿過天線系統(tǒng)不同部分傳輸的電磁波可能遇到阻抗方面的差異。因此有必要通過匹配過程將天線的輸入阻抗轉換為與傳輸線相同的阻抗值,也因此在阻抗方面天線必須與整流電路集成在一起。沒有好的阻抗匹配,一些波的能量將被反射,整流電路將沒有足夠的能量轉換為直流電壓。

通常使用50Ω的輸入阻抗。這個天線設計中的阻抗匹配是59.49- j8.46Ω,線路阻抗是61.18Ω,如圖13所示。這種阻抗匹配對50Ω輸入阻抗來說是非常理想的;饋電位置要仔細定位,以取得好的阻抗匹配性能和最低可能的反射損耗。