微波無線電力傳輸的微帶陣列天線設計

杜曉風,馬　黎,萬　洪,雍明陽

(西華大學 電氣與電子信息學院,四川 成都 610039)

?

微波無線電力傳輸的微帶陣列天線設計

杜曉風,馬黎,萬洪,雍明陽

(西華大學 電氣與電子信息學院,四川 成都 610039)

為改善傳統微帶天線的方向性和增益系數,設計了一種基于微帶天線的陣列天線模型,并通過電磁仿真軟件HFSS 對其進行仿真,獲取了天線的回波損耗以及二維和三維增益方向圖。分析得知,雖然天線陣的回波損耗比單個微帶天線的回波損耗要差,但是提高了其輻射增益以及方向性,有益于提升微波無線電力的傳輸效率和傳輸距離。

微帶陣列天線;微波無線電力傳輸;增益系數;方向性系數

最近,日本太空發(fā)展局提出創(chuàng)建太空太陽能站計劃[1],即在外太空建設一個大型的太陽能,利用外太空大量的太陽能持續(xù)向地球內部供電。目前這個計劃的核心問題是如何把外太空的電能傳輸到地球內部。由此,無線電力傳輸技術被眾多科學家看好[2],并致力研究。一般無線電力傳輸技術常用的有:電磁感應方式、耦合方式、微波方式、激光方式[3]。而微波式無線電力傳輸(MWPT, microwave wireless power transmission)由于傳輸距離遠,被科學家認為是可以實現遠距離傳輸且能夠解決太空輸電問題的最佳傳輸方式[4]。因此本文設計一種基于微帶天線的天線陣列,具有高增益和高方向性,且能夠大大提高微波無線電力傳輸的傳輸效率和發(fā)射距離。

1　微帶天線設計及其仿真

微帶天線的概念是由Deschamps于1953年提出,Munson和Howell在20世紀70年代制造出了實際的微帶天線[5]。微帶天線具有低剖面、輕重量、易于印刷電路板制造的特點,廣泛應用在傳輸電路中。

對于微帶天線的設計,首先要選擇介質基板,本文選擇介電常數ε為2.45的材料作為介質基板。根據公式[6]:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:εe為有效介電常數;ΔL為等效輻射縫隙長度。

根據式(1)～(4),得出本文所設計的工作頻率為10 GHZ的微帶天線的長和寬分為別為9.353 mm、11.42 mm。

在Ansoft HFSS10.0中,微帶天線模型如圖1所示,其中介質基板的長寬分別為18.706 mm、22.84 mm,其厚度為0.5 mm。

圖1　10 GHz微帶天線HFSS模型圖

當在y=0時,輸入阻抗為50 Ω的饋電點位置位于L1=1.59 mm處:

采用Ansoft HFSS軟件對該微帶天線進行優(yōu)化設計,如圖2所示。在貼片長度為9.43 mm時,饋電位置在L1處,微帶天線在10 GHz處取得最低的回波損耗。

圖2　HFSS優(yōu)化設計結果

根據圖2顯示的數據,把原微帶天線的貼片長度設置為9.43 mm,并對其仿真,得出10 GHz微帶天線的回波損耗如圖3所示,以及微帶陣列天線的二維增益和三維增益方向圖如圖4和圖5所示。

圖3　10 GHz微帶天線回波損耗圖

圖4　微帶天線二維增益方向圖

圖5　微帶天線三維增益方向圖

2　基于微帶天線的陣列天線設計

單個微帶天線由于其增益較小,方向性系數也相對較低,所以為了增強天線的方向性和提高天線的增益,可以把若干個相同的天線按照一定的規(guī)律排列起來,這就是天線陣列的概念[7]。本文把8個10 GHz微帶天線陣元通過計算,按照一定規(guī)律構成了一個2×4的微帶天線陣列。該微帶天線陣列工作頻率在10 GHz的X頻段,其陣元為前文所設計的微帶天線。為了能夠提高天線的特性以及保持每個天線單元的激勵電流幅度和相位始終相等,選取合適的饋電網絡,則成為設計陣列天線的一個重要部分[8]。

圖6　陣列天線的饋電網絡結構圖

從圖6可以看出,從饋電點到各個陣元間的微帶線長度及其結構完全相同,因此這種設計能夠保證經過饋電網絡后到各個陣元端的幅度和相位保持相同。在設計陣列天線時,還要降低陣元與陣元之間的互耦效應[9]。本設計中為了降低該效應,取陣元間距為陣元間距為0.75個自由空間工作波長,即22.5 mm。

本次設計的微帶陣列天線結構如圖7所示。

圖7　微帶陣列天線結構圖

該微帶陣列天線由8個相同的微帶天線單元構成,該微帶天線單元的大小和前文所設計的單微帶天線大小相同,都為9.353 mm×11.42 mm。通過所設計的饋電網絡,把這8個微帶天線陣元相連接,然后饋電方式選擇同軸線饋電,即常用的底饋饋入的方式,饋入激勵。對于同軸線饋電,首先需要在介質基板的底層創(chuàng)建一個接地面,從而使得同軸饋電的插座能夠安裝在接地板上,同時需要在接地面開一個圓孔使得能夠允許能量的傳輸,該圓孔就是信號傳輸端口面。創(chuàng)建同軸饋線的內芯,內芯的材料選擇理想導體,長度穿過介質層并與參考地面相接。在創(chuàng)建好饋電端口后,將在信號傳輸端口面port端外加激勵,其激勵選擇集總端口激勵(Lumped Port)[10]。然后為陣列天線模型,即微帶天線貼片和饋電網絡合并后的平面模型、介質基板的底面設置邊界條件,該邊界為理想導體邊界(PEC),目的是為了模擬理想導體。最后通過HFSS進行仿真。

3　微帶陣列天線的仿真及分析

用HFSS13.0對所設計的微帶天線進行仿真。首先設置分析中心頻率為10 GHz,自適應網格剖分的最大迭代次數為20,收斂誤差為0.02,掃頻頻率范圍為7～13 GHz,掃描類選擇快速掃描(FAST)。在設置結束后,進行設計檢查分析。分析完成后,可以得出該微帶陣列天線的回波損耗,如圖8(a)所示。同時在在hfss的radiation中建立遠場數據報告,通過仿真分析得出了二維和三維增益方向圖,如圖8(b)和圖8(c)所示。

圖8　陣列天線HFSS仿真分析圖

根據陣列天線的仿真分析圖并與前面的單微帶天線對比不難看出,通過饋電網絡的連接,組成4×2的微帶陣列天線后,其增益由8.19 dB增加到14.02 dB。其旁瓣相對于單微帶天線也有明顯減小,主瓣也更加尖銳化。從而證明了陣列天線的方向性和增益都有顯著的提升,達到了預期的效果。

4　結　語

基于微帶天線的微帶陣列天線結構雖然陣元與陣元之間的互耦效應導致陣列天線的回波損耗相對于單個微帶天線的回波損耗要差,但是通過其二維增益方向圖和三維增益方向圖可以明確看出,陣列天線增益系數相對于單個微帶天線有顯著提高。同時陣列天線的主瓣也更加尖銳,旁瓣也相對減小,間接提高了陣列天線的方向性系數。而方向性系數和增益系數的提高有助于無線電力傳輸的傳輸距離以及傳輸效率的提升。雖然該設計依然有互耦效應較大的瑕疵,但是還是達到了預期的目標,后期可繼續(xù)對此天線進行改善和提高,以減小互耦效應,減小E面旁瓣。

[1] SASAKI S, TANAKA K.Wireless power transmission technologies for solar power satellite[C]//International Microwave Workshop Series on Innovative Wireless Power Transmission: Technologies, Systems, and Applications. IEEE, 2011: 3-6.

[2] POPOVIC Z. Cut the cord: Low-power far-field wireless powering[J]. IEEE Microwave Magazine, 2013, 14(2): 55-62.

[3] 黃學良,譚林林,陳中,等. 無線電能傳輸技術研究與應用綜述[J]. 電工技術學報:2013, 28(10): 1-11.

HUANG Xueliang, TAN Linlin, CHEN Zhong, et al. Review and research progress on wireless power transfer technology[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(10): 1-11.

[4] KAMBLE V P, MOINUDDIN S M, GAWALE K B, et al. Performance analysis of horn antenna with metamaterial graded index lenses[J]. International Journal of Advanced Engineering and Global Technology, 2015, 3(6):773.

[5] 馬波,杜曉風. 三角型超材料設計及其對微帶天線方向性系數的改善研究[C]//西華青年文萃:西華大學研究生優(yōu)秀論文選.成都:西華大學,2015:283-286.MA Bo, DU Xiaofeng. Research on the design of triangle meta materials and its improvement on microstrip antenna directivity [C]//Xihua Symposium of the Young: Excellent Symposium of the Graduates of Xihua University. Chengdu: Xihua University, 2015:283-286.

[6] 鐘順時.微帶天線理論與應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,1991.ZHONG Shunshi. Theory and application of microstrip antenna[M]. Xian: Xidian University Press,1991.

[7] 鐘順時,朱春輝,劉俊,等.一種低旁瓣微帶天線線陣列的分析與設計[J].上海大學學報(自然科學版), 1995, 1(6): 680-688.

ZHONG Shunshi, ZHU Chunhui, LIU Jun, et al. Analysis and design of linear array of a low sidelobe microstrip antenna[J]. Journal of Shanghai University (Natural Science Edition), 1995, 1(6): 680-688.

[8] 謝廷方, 楊鵬利. 陣列天線饋電網絡設計方法[C]//2001 年全國微波毫米波會議論文集. 北京:電子工業(yè)出版社,2001.

[9] ZHANG R, FANG D G, SUN Y X, et al. Computer-aided design of microstrip antenna array[C]//Proceedings Asia-Pacific Conference on Environmental Electromagnetics. IEEE, 2000:

170-173.

[10] 張洪濤, 汪偉, 張智慧. 不同饋電方式對微帶天線陣交叉極化影響的研究[C]//2009年全國微波毫米波會議論文集 (上冊). 西安: 中國電子學會,2009, 35: 38.

ZHANG Hongtao, WANG Wei, ZHANG Zhihui. A research of effects of different feeding network to the cross-polarization of microstrip antenna array [C]//Symposium of the National Microwave Millimeter Wave Conference of the year of 2009. Xi’ an: Chinese Institute of Electronics,2009, 35: 38.

(責任編輯侯世春)

Design of microstrip array antenna based on MWPT

DU Xiaofeng, MA Li,WAN Hong, YONG Mingyang

(School of Electrical and Electronic Information, Xihua University, Chengdu 610039, China)

In order to improve the directivity and gain coefficient of the traditional microstrip array antenna, this paper designed a kind of array antenna model based on microstrip antenna, by the HFSS simulation of which obtained the return loss and 2D and 3D gain plot of the antenna. According to the analysis, although the return loss of antenna array is poorer than that of single microstrip antenna, the radiation gain and direction have shown striking improvement, which helps improving the transmission efficiency and the distance of MWPT.

microstrip array antenna; MWPT; gain coefficient; directivity

2016-03-18。

杜曉風(1991—),男,碩士研究生,研究方向為超材料和天線陣列以及在無線電力傳輸的應用。

TM724

A

2095-6843(2016)04-0305-04