用于RF采集的双频微带天线研究

杨宇

【摘  要】设计了一种新型的带“凸”字形缺口的双频微带天线。首先利用HFSS软件对该天线设计，并对设计参数进行优化得到回波损耗曲线，结果表明，该天线有两个谐振点，分别为2.45GHz和5GHz，各频段的带宽为100MHz和500MHz，增益为4.82dBi和5.48dBi。这个天线的尺寸较小，可用于短距离通信环境中的射频信号（RF）采集。

【关键词】双频;微带天线;HFSS;带宽;射频信号

1 引言

伴随着当今社会生活水平的不断提升，人们对于通信业务的追求也随之不断提升，无线网络设施对于电能的需求也逐渐增大，单纯凭借电池供电已极大的限制了了其使用时间以及应用范围。为了能够有效的解决电量受限问题，能量收集技术正在一步步的代替电池供能技术，以实现有效延长无线通信系统使用寿命的目的。传统意义上的能量收集技术，是通过自然环境来获得能量的，譬如太阳能、风能等等。但由于天然能源太容易遭受地域亦或是气候的干扰，加之其无法在室内予以收集，因此一种崭新的能源收集方法逐渐走进人们的视野中来，即RF信号。人们通过接收RF信号，在获取信息的同时还能够收集能量，不仅提升了针对能量的利用率，其还给无线系统的设计以及无线资源的合理分配带来了一场巨大的革命。此技术被称为信息与能量同步传输技术，又被叫做无线携能通信技术（SWIPT）。其能够有效的保障能量在一定范围内便捷的传输，极大的免除了传统技术所带来的种种不便。其核心的思想在于，实现信息和能量的同步传输，实现通信频带同能量资源的高效运用。

天线作为SWIPT能量收集系统的关键元件，用于捕获辐射的RF能量并提取最大功率，目标是能产生大的直流输出电压，以便能最大效率的转换成可用于给传感器供电的电能。用于RF能量采集的各种天线拓扑已经被记录，尽管如此，只有少数在小型化、增益和带宽方面都有很好的表现。毫无疑问，如何改善RF采集技术中接收天线的相关性能成为了迫切的需求。基于此，本文设计了一种尺寸较小的双频接收天线，其在尺寸和增益方面效果不错，相比文献来说部分性能得到改善和提升。

2 双频微带天线设计

为了使天线更有效、在更宽泛的范围捕获短距离无线通信环境中的RF能量，其带宽和增益参数是我们必须所注意的。因此如何提高天线性能是我们要解决的首要问题，在已报道的方式中大概有以下几种：在天线上嵌入插槽、应用阻抗匹配和馈电技术、添加缺口。基于这些方法的提出，我们采用复合方式提出了一种新型的天线，即在传统微带天线上添加缺口和开圆孔，其结构图如图1所示。

3 参数优化及天线性能

在对天线初步仿真后，相关指标不尽人意，需要进行优化。由于该天线涉及的参数较多，为了节约时间且参数间不重复优化，因此我们要确定参数优化的大致顺序，最终确定为L3>W3>R0>n>d>a>b。我们得知影响天线谐振中心的关键参数为圆孔的半径R0，而影响天线带宽的主要参数为a，因此本文着重关注这两个参数的优化。经过HFSS的大量仿真后得出结果，图2是优化曲线。

所有参数仿真优化后，我们得到该天线的S11曲线，如下图所示：

4 结论

本文提出了一种新型的带“凸”字形缺口的双频天线，重点介绍了该天线的结构设计图以及重要参数的优化。最后的设计结果表明其两个频点分别位于2.45GHz和5GHz，且回波损耗均低于-10dB，满足工程设计上的一般要求。因此该天线可作为接收天线用于RF能量的采集。

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（作者單位：西华大学电气与电子信息学院）