小型雙頻段射頻能量接收天線設(shè)計(jì)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展和日益成熟，超低功耗的無線傳感器已成為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成單元。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，使用無線電通信方式形成一個(gè)多跳的具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目前已得到了廣泛應(yīng)用。但是采用傳統(tǒng)供電模式的傳感器節(jié)點(diǎn)一旦電池耗盡需要重新更換電池，如果傳感器節(jié)點(diǎn)大量分布，人工更換電池所需的工作將不容忽視。隨著超低功耗芯片技術(shù)的越發(fā)成熟，收集周圍環(huán)境中的無線射頻能量提供電能成為一種有效可行的新型能源供應(yīng)模式。近年來，隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，環(huán)境中充斥著大量的無線電波信號(hào)，主要包括移動(dòng)電話（GSM）頻段和工業(yè)通訊（ISM）頻段。未來的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，多種通信網(wǎng)絡(luò)共存，也為射頻能量收集系統(tǒng)提供了豐富的射頻資源。
　　無線能量采集技術(shù)最重要的部分是接收天線的分析設(shè)計(jì)，也是國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。微帶天線具有低成本，輕重量，易于共形等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)中。但微帶天線由于頻帶較窄又限制了它的實(shí)際應(yīng)用，增加寄生單元或者具有不同形狀縫隙的矩形貼片元可以克服微帶天線的窄頻帶特性；目前在高頻段上，國(guó)內(nèi)外對(duì)縫隙天線進(jìn)行了大量的研究報(bào)道?；窘Y(jié)構(gòu)的縫隙天線性能良好，但是也存在阻抗帶寬窄、只能單頻工作等固有缺陷。因此多頻/寬帶化技術(shù)成為縫隙天線研究的一個(gè)熱點(diǎn)。文獻(xiàn)“工作于2.4GHz /5.2GHz雙頻段微帶縫隙天線的設(shè)計(jì)”在縫隙天線的基礎(chǔ)上通過再加載兩個(gè)倒u型槽，實(shí)現(xiàn)了2.4/5.2 GHz的雙頻工作的特性；文獻(xiàn)“新型小型化雙頻縫隙微帶天線的設(shè)計(jì)”在接地板上開了一個(gè)F型的槽并用微帶線饋電，通過調(diào)節(jié)槽的主要尺寸使天線工作在2.4 / 5.8 GHz頻段。文獻(xiàn)“一種帶寬圓形縫隙天線的設(shè)計(jì)”采用叉子型微帶線饋電并在接地板開了一個(gè)圓形縫隙天線，通過調(diào)整微帶線終端和縫隙中心的相對(duì)位置以及圓形縫隙的半徑來獲得最佳匹配，天線工作在2 GHz時(shí)，頻帶達(dá)到了32.5%.但是由于5 GHz頻段在周圍環(huán)境中的信號(hào)功率譜密度較低，因此這些天線設(shè)計(jì)并不適合用于環(huán)境無線能量收集。
　　通過對(duì)以上文獻(xiàn)的分析研究，文中提出一種適用于無線能量收集的小型雙頻微帶饋電縫隙天線。該天線基于叉子型微帶饋電縫隙結(jié)構(gòu)，采用電抗加載法，即通過加載微帶枝節(jié)和槽實(shí)現(xiàn)雙頻段工作特性，以提高天線的工作帶寬，在保證性能的同時(shí)克服了微帶縫隙天線窄帶寬的缺陷。并通過仿真分析獲得了該縫隙天線工作頻率隨縫隙尺寸變化的一般規(guī)律。
　　1縫隙天線結(jié)構(gòu)原理
　　基于微帶天線結(jié)構(gòu)，利用電抗加載的方法可以實(shí)現(xiàn)雙頻工作，此時(shí)雙頻比可以調(diào)節(jié)得較接近。根據(jù)空腔模型理論，薄基片的微帶天線在模諧振頻率附近的輸入阻抗Zin，可等效為
　　
　　式中，Xr為該模并聯(lián)諧振等效電路的“諧振”電抗，Xf為其他模的合成效應(yīng)。其諧振頻率的特征方程為Xr + Xf = 0，若用一個(gè)電抗XL對(duì)微帶天線進(jìn)行加載，則上述特征方程變?yōu)?br /> 　　
　　調(diào)節(jié)XL的值，可以獲得兩個(gè)零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)雙頻工作。
　　圖1是改進(jìn)后的天線結(jié)構(gòu)，該天線頂部是一個(gè)左右不對(duì)稱的分支型微帶線。分支型饋電的優(yōu)點(diǎn)是該饋電方法可以獲得較寬的帶寬并且使天線在很寬的頻率范圍內(nèi)達(dá)到很好的阻抗匹配。在本設(shè)計(jì)中，在接地板開了兩個(gè)矩形縫隙，通過調(diào)整微帶線分支和縫隙的相對(duì)位置以及矩形縫隙的大小來獲得最佳匹配。
　　
　　圖1天線的幾何模型