用于物联网中无线能量传输的电小尺寸惠更斯整流天线①

蔺 炜，理查德·齐奥尔科夫斯基

(悉尼科技大学 全球大数据技术中心，澳大利亚新南威尔士州 2007)

0 引言

随着无线物联网(Internet-of-Things)系统的广泛应用以及下一代无线通信技术(5G)的快速发展，万物互联将成为无线物联网发展的趋势。在不久的将来，无线设备之间的物物联接将成为实现智慧城市，智慧家庭，智能交通，数字医疗，数字农业等等可持续发展数字化社会的基石[1]。目前，无线物联网终端设备的数量正在快速增长，并且其增长的速度正在逐年加快。远场无线能量传输将成为未来物联网中革命性的技术，取代基于传统电池的现有物联网设备供电技术。无线能量传输技术的使用可以大大延长物联网设备的寿命，避免更换电池的人工干预，尤其适用于嵌入式的物联网传感器设备中。整流天线是远场无线能量传输中的关键设备，其功能是吸收电磁波并将其无线能量转化成直流电给设备供电。物联网应用要求整流天线具有结构紧凑，转化效率高，电磁波吸收范围广等特点。虽然到目前为止，已有很多整流天线的设计被报道[2-8]，设计同时实现以上特点的整流天线具有很大挑战。本文创新性地将电小尺寸惠更斯天线[9-12]与高效率的整流电路无缝结合，同时实现了结构紧凑，高效率，电磁波吸收范围广的电小惠更斯整流天线。非常适合用于未来无线物联网系统中。本文内容结构如下：第一部分将介绍一款线极化的电小惠更斯整流天线。第二部分，在基于线极化惠更斯整流天线的基础上，设计了圆极化的惠更斯整流天线，并实现了最大的电磁波转化效率。第三部分，介绍了双功能的惠更斯通信天线与整流天线，同时实现通信与无线能量传输的功能。最后，是本文的总结。

1 线极化电小尺寸惠更斯整流天线

1.1 线极化电小尺寸惠更斯天线设计

本章介绍一款线极化电小尺寸惠更斯整流天线设计。如图1所示，该设计思路是将两个由超材料启发的电小辐射单元，例如埃及斧天线(EAD)与电容加载环天线(CLL)结合，实现定向的心形惠更斯辐射方向图。两个电小辐射单元单独激励时候均产生类似偶极子的全向辐射方向图。若将二者有机结合并同时激励，可形成一对正交放置的电磁偶极子。当二者之间相位关系满足同向条件时，惠更斯辐射方向图便可以形成。

图1 电小尺寸线极化惠更斯天线设计思路Fig.1 Design concept of the electrically small linearly polarized Huygens antenna

该天线可由标准的印制电路板工艺实现，这一对电磁偶极子可由三块圆形的印制电路板构成。在此设计中，选择了RogersTM5880型号的高频电路板，其介电常数是2.2，损耗角正切是0.0009。顶层跟下层的电路板厚度为0.787mm，中间的电路板厚度为0.508mm。在此设计中，埃及斧(EAD)辐射单元印制在中间的电路板上。电容耦合环辐射单元印制在上下两层电路板上，并且由两个金属柱联通。激励短偶极子印制在下层介质板的底部。从回波损耗曲线可以看到，该天线谐振在915MHz频点上，增益为3.8dBi。其辐射方向图为心形的惠更斯方向图，具有波束宽度宽，对称性好等特点。

1.2 紧凑高效率整流电路设计

在整流天线设计中，整流电路具有重要的作用。本章介绍一款结构紧凑高效率的整流电路，可以与电小惠更斯天线无缝连接。此整流电路模型如图2所示，由肖特基二极管跟若干电容，电感，电阻构成。两个肖特基二极管组成全波整流电路，电感L跟电容C1，C2组成输入阻抗匹配电路，电容C3去除输出高次交流杂波，电阻RL是负载电阻。该整流电路结构十分紧凑，长度仅为7.3mm。通过选择合适的匹配电感跟负载电阻的值，可以实现良好的阻抗匹配。

图2 紧凑高效率整流天线设计与测试结果Fig.2 Design and measurement of the compact and highly efficient rectifier circuit

1.3 线极化电小尺寸惠更斯整流天线的系统设计与测试

本章将电小尺寸惠更斯天线跟高效率整流电路结合，实现了线极化电小尺寸惠更斯整流天线，如图3所示。

图3 线极化电小尺寸惠更斯整流天线的系统设计与测试Fig.3 Systematic design and measurement of the linearly polarized electrically small Huygens rectenna

整流电路与惠更斯天线的端口无缝结合，整体整流天线结构十分紧凑。测试系统在微波暗室中搭建，包含作为电磁信号辐射源的喇叭天线，功率放大器，信号发生器，直流电源，万用表以及若干线缆。整流天线放置于喇叭天线的远场区域，通过计算传输路径的损耗，可以得到整流天线输入端的信号强度。在测试过程中，通过调节惠更斯天线的激励偶极子的长度，实现感性的输入阻抗，从而无需电路中的有损耗的匹配电感，提高整流天线的转化效率。

图4是该整流天线的测试结果，显示输出直流电压跟交流直流转化效率随接受功率的关系。可以看出，该整流天线在输入功率达到9dBm的时候输出转化效率达到最大值88.9%。在有损耗的匹配电感的电路中，这个测试效率值为80.3%。可见在整流电路中电感的损耗还是十分可观。通过仿真不带匹配电感的整流电路，可以得到同样的结论。由于该惠更斯天线独特的阻抗特性，在不加匹配电感的情况下可以与整流电路匹配良好，该整流天线可以达到其接近90%的最大转化效率。

图4 整流天线测试结果Fig.4 Measurement results of the linearly polarized electrically small Huygens rectenna

2 圆极化电小尺寸惠更斯整流天线

2.1 圆极化电小尺寸惠更斯天线设计

前一章介绍了线极化的电小尺寸的惠更斯整流天线设计，线极化系统要求电磁信号跟接收整流天线的极化方向保持一致。然而，在整流天线不断移动的应用环境中，线极化系统会产生严重极化失配的问题，圆极化系统可以很好解决极化失配的问题。本章将介绍一款圆极化的电小尺寸惠更斯整流天线。

一组正交放置的电磁偶极子可以产生线极化的惠更斯辐射方向图，两组相互正交放置的电磁偶极子通过90度相位差的激励，便可以产生圆极化的惠更斯辐射方向图。如图5所示，十字结构的埃及斧(EAD)跟电容耦合环(CLL)辐射单元可以产生两组相互正交的电磁偶极子。为了实现90度相位差的激励，可使用延迟环的激励结构。该结构不但可以实现90度的相位差获得圆极化辐射，而且呈现感性的输入阻抗，可以直接与容性的整流电路良好匹配，达到最大的交流信号能量转化效率。

2.2 圆极化电小尺寸惠更斯整流天线系统设计与测试

与线极化整流天线不同的是，圆极化整流天线的整流电路不能与激励单元印制在同一层介质板上，圆极化的设计需要一小块额外的介质板与延迟环激励单元垂直放置，如图6所示。整体结构依然紧凑，整流电路与惠更斯天线完美结合。通过测试可以看出，在特定频点，904.5 MHz，在旋转一周的情况下，整流天线的输入电压保持稳定，验证了系统的圆极化特性。同时，由于避免了有损耗的匹配电感，该整流天线还达到了最大可实现的交流直流信号转化效率。

图5 圆极化电小尺寸惠更斯天线设计Fig.5 Design of the circularly polarized electrically small Huygens antenna

图6 圆极化电小尺寸惠更斯整流天线测试与结果Fig.6 Measured results of the circularly polarized electrically small Huygens rectenna

3 双功能电小尺寸惠更斯通信天线与整流天线系统

3.1 双功能系统设计

在物联网应用中，不仅仅需要无线能量传输功能，数据通信也是必须可少的功能。然后，如果在紧凑的空间内同时实现无线能量传输以及通信天线两种功能具有很大挑战。本章将介绍一种双功能电小尺寸惠更斯通信天线与整流天线系统，满足物联网应用的需求。如图7所示，其思路是设计两个正交的线极化惠更斯天线系统，一个作为通信天线，一个作为整流天线。由于其正交性，两个端口之间可以实现完美隔离，隔离度大于30dB。此设计的关键是整流电路与天线馈线的完美结合，二者印刷在一小块印制电路板上，两个端口互不干扰，垂直于天线单元。

图7 双功能电小天线与整流天线系统设计思路Fig.7 Design concept of the dual-functional electrically small antenna and rectenna system

3.2 双功能系统测试

图8显示了该双功能系统的测试环境与测试结果。该系统的天线模式的方向图由多探头的近场测试系统测试，实现了心形惠更斯的辐射方向图。测试频率仅仅比仿真频率略微偏移。在无线能量传输模式中，该整流天线同样实现了感性阻抗，达到了最大可实现的交直流转化效率。由于两个功能之间的完美正交性，两个功能互补影响。

图8 双功能天线测试结果Fig.8 Measured results of the dual-functional antenna and rectenna system

4 结论

本文介绍了三款电小尺寸惠更斯天线与整流天线系统。实现了结构紧凑，高效率，多功能的特点，其性能与传统整流天线相比较得到了大幅提升。电磁偶极子单元在紧凑的空间内得到了完美的结合。实验结果很好地验证了仿真设计思路，体现了该类设计的性能优势。本文设计十分适合用于无线物联网设备中，具有广泛的应用前景。