蔣永祥，鄒傳云

(西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010)

具有諧波抑制功能的圓極化整流天線設(shè)計*

蔣永祥，鄒傳云

(西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010)

設(shè)計了一款新型的具有諧波抑制能力的圓極化整流天線。在圓環(huán)縫隙天線的中心挖圓形孔，控制天線的諧振頻帶與抑制高次諧波。在縫隙的內(nèi)邊緣開兩個半圓形槽，縮減天線的尺寸并獲得圓極化輻射。倍壓整流電路有效地提高了整流天線的輸出直流電壓。仿真結(jié)構(gòu)表明，天線諧振帶寬(VSWR<2)為17.6%，圓極化帶寬(AR<3 dB)達到3.7%。整流電路在0 dBm的輸入功率時，能達到59%的整流效率和1.7 V的直流輸出電壓。該整流天線可作為無源射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)標簽的整流天線。

整流天線；諧波抑制；圓極化；倍壓整流電路

0 引 言

集成了通信、計算、傳感和存儲功能的RFID標簽被認為是未來物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵接入終端之一。有源RFID標簽的電能消耗高，另外在一些危險或難以到達的區(qū)域，更換電池變得十分困難[1]。無源RFID標簽采用無線能量傳輸技術(shù)從閱讀器獲取能量，無需電池供電。作為無源RFID標簽?zāi)芰坎杉年P(guān)鍵部件，整流天線將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)換成直流電壓，為系統(tǒng)供電[2]。

整流接收天線具有諧波抑制的能力，能阻止整流電路產(chǎn)生的高次諧波回流至天線，產(chǎn)生二次輻射，不需要后接濾波器來抑制諧波。文獻[3]中在逆開環(huán)諧振器上加載縫隙來實現(xiàn)微帶天線的諧波抑制。文獻[4]在饋線上加載階梯阻抗器結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)諧波抑制。它們都是在天線的饋線上附加濾波結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)諧波抑制，結(jié)構(gòu)不夠緊湊，需分別設(shè)計天線和濾波結(jié)構(gòu)。

為了減小整流天線與RFID閱讀器天線間的極化失配，以及整流天線在任意旋轉(zhuǎn)的情下，保持恒定的直流輸出，接收天線應(yīng)具有圓極化輻的特性。文獻[5]中在微帶貼片天線上切角，引入電流擾動來實現(xiàn)圓極化，但圓極化帶寬只有0.8%。

整流電路可以采用單個串聯(lián)或并聯(lián)的二極管構(gòu)成，但是輸出電壓不高。文獻[6]中利用單個串聯(lián)二極管整流，在0 dBm的輸入功率下，輸出電壓不到0.5 V。在閱讀器功率一定的情況下，希望獲得較遠的閱讀距離，整流電路應(yīng)該具備低輸入功率高輸出電壓的能力。

本文設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)緊湊的具有諧波抑制能力的圓極化整流天線。該整流天線結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、效率高，可作為2.45 GHz無源RFID標簽的整流天線。

1 接收天線設(shè)計

1.1 天線結(jié)構(gòu)及參數(shù)

接收天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線采用微帶線單點饋電的圓環(huán)微帶縫隙結(jié)構(gòu)。

圖1 接收天線結(jié)構(gòu)及其設(shè)計參數(shù)

微帶圓環(huán)縫隙天線的諧振頻率的經(jīng)驗公式可近似由式(1)求得[7]:

(1)式中，R1為圓形縫隙的外徑，S為縫隙寬度，δ為與介質(zhì)材料和厚度有關(guān)的修正因子，c為光速。圓環(huán)縫隙天線工作在TM11模，該模式在天線平面的法向方向上有最大的輻射強度。圓形縫隙的周長選取半個工作波長。對于窄縫天線，縫隙寬度要遠小于縫隙長度。根據(jù)式(1)可估算出圓環(huán)縫隙天線的縫隙寬度。

在圓環(huán)縫隙的內(nèi)邊緣開出兩個半徑R3的半圓形槽，并相對于饋線順時針旋轉(zhuǎn)V度，引入簡并模分離單元，形成圓極化輻射。開槽還增加了表面電流的有效路徑，使天線在有限的面積內(nèi)實現(xiàn)更低的諧振頻率，達到天線小型化的目的。在環(huán)形縫隙的中心挖一個半徑R2的圓孔，使天線具有諧波抑制的能力。

設(shè)計中選用介電常數(shù)εr=4.4，損耗角正切tanθ=0.02，厚度h=1.6 mm的FR4基板。地板的尺寸選為Wg×Lg=50 mm×50 mm。諧波抑制圓極化天線經(jīng)優(yōu)化后的參數(shù)如表1所示。

表1 諧波抑制圓極化天線優(yōu)化后的參數(shù)

1.2 圓極化天線原理

兩個幅度相等，空間方位正交，時間相位差90°的線極化波可以合成一個圓極化波。兩線極化波EX和EY可分別表示為式(2)、式(3)所示:

(2)

(3)

其中，E0為線極化波的幅度。在Z=0的平面中，由式(2)、式(3)可得圓極化波方程(4)[8]：

(4)

根據(jù)微波腔模理論可知,單點饋電的微帶天線可以看成一個諧振腔，通過饋電和微擾方式產(chǎn)生兩個空間正交，幅度相等的線極化簡并模。在天線上附加一個簡并模分離單元，可以使兩個簡并模分離并形成90°的相位差，從而形成圓極化輻射。

圖2中未開槽的圓環(huán)縫隙天線在Y軸的左右方向極化電場分量相互抵消，只有沿-X軸的極化電場分量EX。開槽后引入微擾使電場重新分布，電場主要沿DB軸向分布。產(chǎn)生了兩個幅度相等的正交的極化電場分量EX和EY。當縫隙和開槽的尺寸選擇合適時，正交簡并模發(fā)生分離，形成90°的相位差，產(chǎn)生圓極化輻射。

圖2 圓環(huán)縫隙天線平面電場分布示意

1.3 仿真結(jié)構(gòu)及分析

利用HFSS 13.0對設(shè)計的整流接收天線進行電磁仿真。天線的回波損耗參數(shù)S11如圖3所示。

在基頻2.45 GHz處回波損耗S11值為-25 dB，天線諧振頻帶(VSWR<2)為2.29～2.72 GHz，諧振帶寬達到17.6%。2.72～8.50 GHz頻段內(nèi)天線都有良好的諧波抑制。二次諧波4.9 GHz處回波損耗S11值為-3.08 dB，三次諧波7.35 GHz處回波損耗S11值為-3.19 dB。

圖3 接收天線反射損耗

接收天線具有雙向的輻射特性，單向最大增益1.8 dB。天線最大增益方向上的軸比是衡量天線圓極化純度的重要參數(shù)。設(shè)計的天線的軸比(AR)如圖4所示，在2.42～2.51 GHz頻帶內(nèi)軸比都小于3 dB，圓極化帶寬(AR<3 dB) 達到3.7%。

圖4 諧波抑制圓極化天線軸比

2 整流電路的設(shè)計

2.1 整流電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)

整流電路采用二倍壓整流電路，原理圖如圖5所示，輸入匹配電路用于減小整流電路對輸入功率的反射，提高整流效率。輸出直通濾波器可有效地濾除直流電壓中的高頻成分。微帶線TL1寬2.4 mm，長5 mm；TL2寬0.3 mm，長11.2 mm；TL3寬0.4 mm，長13.2 mm。

圖5 整流電路原理

整流二極管采用具有零偏置電壓的肖特基勢壘二極管HSMS-2862(D1與D2)，單個二極管的串聯(lián)電阻Rs=5 Ω，結(jié)電容CJo=0.18 pf，反向擊穿電壓BV=7 V，反向擊穿電流IBV=100 mA。與PN結(jié)型二極管相比，它不存在擴散電容，更適合高頻應(yīng)用[9]。

電容C2同時作為濾波電容和儲能電容。它決定了輸出電壓的建立時間和抖動幅度。電容越大，充電常數(shù)τ=RC越大，輸出電壓達到穩(wěn)定的時間越長，但輸出電壓越平穩(wěn)。

設(shè)計中C2選用100 pf的MuRata電容，由于電容存在漏電阻和寄生電感效應(yīng)，輸出電壓的幅度抖動會略微的偏大，輸出電壓也會略微偏低。電容C1選用10 pf的MuRata電容。

2.2 仿真結(jié)果及分析

整流電路的整流效率可由式(5)計算[10-11]:

(5)

式中，VDC為直流輸出電壓，Rload為負載電阻，Pin為輸入射頻功率。利用ADS2011對整流電路進行諧波平衡仿真。在工作頻率為f=2.45 GHz，負載電阻Rload=4.7 kΩ時，整流效率和輸出直流電壓隨輸入射頻功率的變化曲線如圖6和7圖所示。

圖6 整流效率隨輸入功率變化曲線

從圖6和圖7中可以看到，當輸入功率大于-15 dBm時，隨著輸入功率增加輸出直流電壓也越大，在輸入功率為0 dBm時，輸出直流電壓達到1.7 V，整流效率已達到59%，在輸入功率為8 dBm時達到最大整流效率68%。

整流電路提供一定的功率輸出，用于驅(qū)動其它電路。輸出負載效應(yīng)會影響到整流電路的整流效率和輸出電壓。圖8為在工作頻率為f=2.45 GHz，輸入功率Pin=0 dBm時，整流效率隨負載電阻的變化曲線。負載電阻Rload=4.7 kΩ時，有最大整流效率59%。

圖8 整流效率隨負載電阻變化曲線

3 結(jié) 語

本文設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)新穎的整流天線。它可以為2.45 GHz的無源RFID標簽獲取射頻能量，代替電池給傳感器標簽供電。研究發(fā)現(xiàn)通過在接收天線上挖孔能有效的抑制諧波輻射，采用圓極化技術(shù)能減小整流天線的極化失配，從而提高整流效率，穩(wěn)定輸出電壓。通過讓微帶天線中的兩個極化簡并模發(fā)生分離并產(chǎn)生90°的相位來實現(xiàn)圓極化。零偏置電壓二極管搭建的二倍壓整流電路確保了整流天線在0 dBm的低輸入功率的情況下有1.7 V的直流輸出電壓和59%的整流效率。基于以上研究，利用 DC-DC電壓泵進一步提高輸出電壓、縮小天線尺寸和提高增益是我們進一步研究的方向。

[1] 黃俊,鄒傳云,劉利盛. 一種有源RFID標簽的簡單功率控制算法[J]. 通信技術(shù), 2013, 46 (09):104-106. HUANG Jun, ZOU Chuan-yun, LIU Li-sheng. A Simple Power Control Algorithm for Active RFID Tags [J]. Communications Technology, 2013 , 46 (9): 104-106.

[2] De Donno D, Catarinucci L, Tarricone L. RAMSES: RFID Augmented Module for Smart Environmental Sensing[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2014,63(7): 1701-1708.

[3] 曾會勇,王光明,王亞偉等. 逆開環(huán)諧振器在微帶天線諧波抑制中的應(yīng)用[J]. 微波學(xué)報,2010(04):84-86，91. ZENG Hui-yong,WANG Guang-ming,WANG Ya-wei,et al. Application of the Inverse Open Loop Resonator in the Harmonic Suppression of Microstrip Antennas[J]. Microwave, 2010(04):84-86，91.

[4] 陳彬. 具有諧波抑制功能的低輸入功率整流天線設(shè)計[J]. 信息化研究, 2014(01):55-58. CHEN Bin. The Design of Low Input Power Rectifier Antenna with Harmonic Suppression Function [J]. Information Research, 2014(01):55-58.

[5] Divarathne C, Karmakar N. A Maximum Likelihood based Tag Detection Technique for MIMO Chipless RFID Systems[J]. 2014 IEEE International Microwave and RF Conference (IMaRC),2014,8:15-17.

[6] Zbitou J, Latrach M, Toutain Serge. Hybrid Rectenna and Monolithic Integrated Zero-Bias Microwave Rectifier[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2006,54(1):147-152.

[7] 任王,鄧俊勇,洪少華等. 無線局域網(wǎng)的雙頻圓極化圓環(huán)縫隙天線設(shè)計[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版, 2008(08):1306-1309，1315. REN Wang, DENG Jun-yong, HONG Shao-hua,et al. Design of Dual-Band Circularly Polarized Annular Slot Antenna for WLAN [J]. Zhejiang University Journal (Engineering and Technology Edition), 2008(08):1306-1309，1315.

[8] 戈魯, 赫茲若格魯. 電磁場與電磁波[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2006,1: 252-253. Bhag Singh Guru, Huseyin R.Hiziroglu. Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave[M]. Beijing:Mechanical Industry Press,2006,1:252-253.

[9] 路德維格, 波格丹諾夫. 射頻電路設(shè)計——理論與應(yīng)用[M].第2版.北京：電子工業(yè)出版社，2013:194-196. Ludwig, Bogdanov. Design of Radio Frequency Circuits-Theory and Application(Second Edition) [M]. Beijing: Electronic Industry Press, 2013, 8:194-196.

[10] Mabrouki A, Latrach M, Ramanandraibe E. Low Cost and Efficient Rectifier Design for Microwave Energy Harvesting[J]. Antennas and Propagation Conference (LAPC), 2013,11: 289-292.

[11] Ladan S, Ghassemi N, Ghiotto A,et al. Highly Efficient Compact Rectenna for Wireless Energy Harvesting Application[J]. Microwave Magazine, IEEE , 2013,14(1): 117-122.

Circular Polarization Rectifying Antenna with Harmonic Suppression

JIANG Yong-xiang, ZOU Chuan-yun

(School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang Sichuan 621010,China)

A novel circular polarization rectifying antenna (rectenna) with harmonic suppression is presented and designed in this paper. To control the resonant frequency band and suppress high-order harmonics, a round hole is dug in the center of the ring-slot antenna. Two semicircular grooves are opened on the inner edge of the slot to reduce the antenna size and create circularly polarization. The voltage-doubler rectifier circuit effectively improves output DC voltage of the rectenna. Simulation results show that the resonant bandwidth (VSWR<2) of the antenna is 17.6%and circularly polarized bandwidth (AR<3dB) up to 3.7%. The rectifying efficiency can reach 59% and DC output voltage 1.7V when the rectifier circuit has 0dBm input power. The rectenna can be used as the rectifying antenna of passive radio frequency identification (RFID) tag.

rectenna; harmonic suppression; circular polarization; voltage-doubler rectifier circuit

2015-04-01；

2015-07-18 Received date:2015-04-01；Revised date：2015-07-18

TN92

A

1002-0802(2015)09-1092-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.09.022

蔣永祥(1990—)，男，碩士，主要研究方向為射頻電路、天線的設(shè)計；

鄒傳云(1960—)，男，博士，教授，主要研究方向為無線傳感網(wǎng)絡(luò)，射頻識別的研究。