小型双频段射频能量接收天线设计

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无线能量采集技术最重要的部分是接收天线的分析设计微带天线工作原理，也是相关专家学者关注的热点。微带天线具有低成本，轻重量，易于共形等诸多优点，被广泛的应用于各种通信系统中。但微带天线由于频带较窄又限制了它的实际应用，增加寄生单元或者具有不同形状缝隙的矩形贴片元可以克服微带天线的窄频带特性；目前在高频段上，对缝隙天线进行了大量的研究报道。基本结构的缝隙天线性能良好，但是也存在阻抗带宽窄、只能单频工作等固有缺陷。因此多频/宽带化技术成为缝隙天线研究的一个热点。文献“工作于2.4GHz /5.2GHz 双频段微带缝隙天线的设计”在缝隙天线的基础上通过再加载两个倒u 型槽，实现了2.4/5.2 GHz的双频工作的特性；文献“新型小型化双频缝隙微带天线的设计”在接地板上开了一个F 型的槽并用微带线馈电，通过调节槽的主要尺寸使天线工作在2.4 / 5.8 GHz频段。文献“一种带宽圆形缝隙天线的设计”采用叉子型微带线馈电并在接地板开了一个圆形缝隙天线，通过调整微带线终端和缝隙中心的相对位置以及圆形缝隙的半径来获得最佳匹配，天线工作在2 GHz时，频带达到了32.5%。但是由于5 GHz频段在周围环境中的信号功率谱密度较低微带天线工作原理，因此这些天线设计并不适合用于环境无线能量收集。

通过对以上文献的分析研究，文中提出一种适用于无线能量收集的小型双频微带馈电缝隙天线。该天线基于叉子型微带馈电缝隙结构，采用电抗加载法，即通过加载微带枝节和槽实现双频段工作特性，以提高天线的工作带宽，在保证性能的同时克服了微带缝隙天线窄带宽的缺陷。并通过仿真分析获得了该缝隙天线工作频率随缝隙尺寸变化的一般规律。

1 缝隙天线结构原理

基于微带天线结构，利用电抗加载的方法可以实现双频工作，此时双频比可以调节得较接近。根据空腔模型理论，薄基片的微带天线在模谐振频率附近的输入阻抗Zin，可等效为

根据传输线的理论，长度小于1/4波长的倍数的天线其阻抗呈容性，这时天线不产生谐振，为此我们可以在天线上加一个电感来与天线平衡，从而使天线发生谐振，我们称这种天线为加载天线。a．并联电容器的等效电容（总电容）的倒数等于各个电容量的倒数之和b．并联后的等效电容（总电容）等于各个电容器的容量之和c．总电压等于各个电容器上的电压之和d．每个电容器两端承受的电压相等，并等于电源电压12.电路按其作用划分，可分为（abcd）。超外差式接收电路有两个谐振回路,一个是振荡器回路,一个是天线调谐回路,二者都是由电感电容并联而成。

调节XL的值，可以获得两个零点，实现双频工作。

图1 是改进后的天线结构，该天线顶部是一个左右不对称的分支型微带线。分支型馈电的优点是该馈电方法可以获得较宽的带宽并且使天线在很宽的频率范围内达到很好的阻抗匹配。在本设计中，在接地板开了两个矩形缝隙，通过调整微带线分支和缝隙的相对位置以及矩形缝隙的大小来获得最佳匹配。

图1 天线的几何模型

为了实现接口的阻抗匹配，分支型微带线主臂的特性阻抗为50 Ω，侧臂的特性阻抗为100 Ω，根据经验式（ 3） 、式（ 4） 可以计算出微带线的宽度。

其中等效介电常数为

共平面波导馈入之双l型单极双频天线其结构由两个类似l型所组成，以共振出双模态，结构如图一所示，基板为30*25 mm2，介电系数为（εr =9.8 ），厚度为0.635mm的氧化铝（al2o3）陶瓷基板上。天线的体积小、结构简单，仅由一个半径为4.5mm的圆柱形介质谐振器及的基板所构成，并且只用通过调整y型馈线两个开路枝节的长度和宽度，便可以实属箔做电极，夹在极薄的电容纸中，卷成圆柱形或者扁柱形芯子，然后密封在金属壳或者绝缘材料(如火漆、陶瓷、玻璃釉等)壳中制成．它的特点是体积较小，容量可以做得较大．但是固有电感和损耗比较大，适用于低频电路．(2)薄膜电容器．结构相同于纸介电容器，介质是涤纶或聚苯乙烯．涤纶薄膜电容，电容率较高，体积小、容量大、稳定性较好，适宜做旁路电容．聚苯乙烯薄膜电容器，介质损耗小不能做成大的容量、绝缘电阻高，但温度系数大，可用于高频电路．(3)陶瓷电容器．用陶瓷做介质．在陶瓷基体两面喷涂银层，然后烧成银质薄膜作极板制成．其特点是体积小、耐热性好、损耗小、绝缘电阻高，但容量小，适用于高频电路．铁电陶瓷电容容量较大，但是损耗和温度系数较大，适宜用于低频电路．(4)云母电容器．用金属箔或在云母片上喷涂银层作电极板，极板和云母一层一层叠合后，再压铸在胶木粉或封固在环氧树脂中制成．其特点是介质损耗小、绝缘电阻大．温度系数小，适用于高频电路．(5)玻璃釉电容器．由一种浓度适于喷涂的特殊混合物喷涂成薄膜而成，介质再以银层电极经烧结而成“独石”结构性能可与云母电容器媲美．其特点是具有瓷介电容器的优点，且体积更小，耐高温．(6)铝电解电容器．它是由铝圆筒做负极，里面装有液体电解质，插人一片弯曲的铝带作正极制成．还需经直流电压处理，作正极的片上形成一层氧化膜作介质．其特点是容量大，但是漏电大，误差大，稳定性差，有正负极性，适于电源滤波或低频电路中，使用时，正、负极不要接反．(7)钽、铌电解电容器．它用金属钽或者铌作正极，用稀硫酸等配液作负极，用钽或铌表面生成的氧化膜作介质制成．其特点是体积小、容量大、漏电流极小，贮存性良好，性能稳定、寿命长．绝缘电阻大．温度性能好，用在要求较高的设备中．。

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