具有谐波抑制功能的圆极化整流天线设计*

2015-03-25蒋永祥邹传云

通信技术 2015年9期

关键词：圆极化圆环缝隙

蒋永祥，邹传云

(西南科技大学信息工程学院，四川绵阳 621010)

具有谐波抑制功能的圆极化整流天线设计*

蒋永祥，邹传云

(西南科技大学信息工程学院，四川绵阳 621010)

设计了一款新型的具有谐波抑制能力的圆极化整流天线。在圆环缝隙天线的中心挖圆形孔，控制天线的谐振频带与抑制高次谐波。在缝隙的内边缘开两个半圆形槽，缩减天线的尺寸并获得圆极化辐射。倍压整流电路有效地提高了整流天线的输出直流电压。仿真结构表明，天线谐振带宽(VSWR<2)为17.6%，圆极化带宽(AR<3 dB)达到3.7%。整流电路在0 dBm的输入功率时，能达到59%的整流效率和1.7 V的直流输出电压。该整流天线可作为无源射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)标签的整流天线。

整流天线；谐波抑制；圆极化；倍压整流电路

0 引言

集成了通信、计算、传感和存储功能的RFID标签被认为是未来物联网关键接入终端之一。有源RFID标签的电能消耗高，另外在一些危险或难以到达的区域，更换电池变得十分困难[1]。无源RFID标签采用无线能量传输技术从阅读器获取能量，无需电池供电。作为无源RFID标签能量采集的关键部件，整流天线将接收到的射频能量转换成直流电压，为系统供电[2]。

整流接收天线具有谐波抑制的能力，能阻止整流电路产生的高次谐波回流至天线，产生二次辐射，不需要后接滤波器来抑制谐波。文献[3]中在逆开环谐振器上加载缝隙来实现微带天线的谐波抑制。文献[4]在馈线上加载阶梯阻抗器结构来实现谐波抑制。它们都是在天线的馈线上附加滤波结构来实现谐波抑制，结构不够紧凑，需分别设计天线和滤波结构。

为了减小整流天线与RFID阅读器天线间的极化失配，以及整流天线在任意旋转的情下，保持恒定的直流输出，接收天线应具有圆极化辐的特性。文献[5]中在微带贴片天线上切角，引入电流扰动来实现圆极化，但圆极化带宽只有0.8%。

整流电路可以采用单个串联或并联的二极管构成，但是输出电压不高。文献[6]中利用单个串联二极管整流，在0 dBm的输入功率下，输出电压不到0.5 V。在阅读器功率一定的情况下，希望获得较远的阅读距离，整流电路应该具备低输入功率高输出电压的能力。

本文设计了一款结构紧凑的具有谐波抑制能力的圆极化整流天线。该整流天线结构简单、尺寸小、效率高，可作为2.45 GHz无源RFID标签的整流天线。

1 接收天线设计

1.1 天线结构及参数

接收天线的结构如图1所示。天线采用微带线单点馈电的圆环微带缝隙结构。

图1 接收天线结构及其设计参数

微带圆环缝隙天线的谐振频率的经验公式可近似由式(1)求得[7]:

(1)式中，R1为圆形缝隙的外径，S为缝隙宽度，δ为与介质材料和厚度有关的修正因子，c为光速。圆环缝隙天线工作在TM11模，该模式在天线平面的法向方向上有最大的辐射强度。圆形缝隙的周长选取半个工作波长。对于窄缝天线，缝隙宽度要远小于缝隙长度。根据式(1)可估算出圆环缝隙天线的缝隙宽度。

在圆环缝隙的内边缘开出两个半径R3的半圆形槽，并相对于馈线顺时针旋转V度，引入简并模分离单元，形成圆极化辐射。开槽还增加了表面电流的有效路径，使天线在有限的面积内实现更低的谐振频率，达到天线小型化的目的。在环形缝隙的中心挖一个半径R2的圆孔，使天线具有谐波抑制的能力。

设计中选用介电常数εr=4.4，损耗角正切tanθ=0.02，厚度h=1.6 mm的FR4基板。地板的尺寸选为Wg×Lg=50 mm×50 mm。谐波抑制圆极化天线经优化后的参数如表1所示。

表1 谐波抑制圆极化天线优化后的参数

1.2 圆极化天线原理

两个幅度相等，空间方位正交，时间相位差90°的线极化波可以合成一个圆极化波。两线极化波EX和EY可分别表示为式(2)、式(3)所示:

(2)

(3)

其中，E0为线极化波的幅度。在Z=0的平面中，由式(2)、式(3)可得圆极化波方程(4)[8]：

(4)

根据微波腔模理论可知,单点馈电的微带天线可以看成一个谐振腔，通过馈电和微扰方式产生两个空间正交，幅度相等的线极化简并模。在天线上附加一个简并模分离单元，可以使两个简并模分离并形成90°的相位差，从而形成圆极化辐射。

图2中未开槽的圆环缝隙天线在Y轴的左右方向极化电场分量相互抵消，只有沿-X轴的极化电场分量EX。开槽后引入微扰使电场重新分布，电场主要沿DB轴向分布。产生了两个幅度相等的正交的极化电场分量EX和EY。当缝隙和开槽的尺寸选择合适时，正交简并模发生分离，形成90°的相位差，产生圆极化辐射。

图2 圆环缝隙天线平面电场分布示意

1.3 仿真结构及分析

利用HFSS 13.0对设计的整流接收天线进行电磁仿真。天线的回波损耗参数S11如图3所示。

在基频2.45 GHz处回波损耗S11值为-25 dB，天线谐振频带(VSWR<2)为2.29～2.72 GHz，谐振带宽达到17.6%。2.72～8.50 GHz频段内天线都有良好的谐波抑制。二次谐波4.9 GHz处回波损耗S11值为-3.08 dB，三次谐波7.35 GHz处回波损耗S11值为-3.19 dB。

图3 接收天线反射损耗

接收天线具有双向的辐射特性，单向最大增益1.8 dB。天线最大增益方向上的轴比是衡量天线圆极化纯度的重要参数。设计的天线的轴比(AR)如图4所示，在2.42～2.51 GHz频带内轴比都小于3 dB，圆极化带宽(AR<3 dB) 达到3.7%。

图4 谐波抑制圆极化天线轴比

2 整流电路的设计

2.1 整流电路结构及参数

整流电路采用二倍压整流电路，原理图如图5所示，输入匹配电路用于减小整流电路对输入功率的反射，提高整流效率。输出直通滤波器可有效地滤除直流电压中的高频成分。微带线TL1宽2.4 mm，长5 mm；TL2宽0.3 mm，长11.2 mm；TL3宽0.4 mm，长13.2 mm。

图5 整流电路原理

整流二极管采用具有零偏置电压的肖特基势垒二极管HSMS-2862(D1与D2)，单个二极管的串联电阻Rs=5 Ω，结电容CJo=0.18 pf，反向击穿电压BV=7 V，反向击穿电流IBV=100 mA。与PN结型二极管相比，它不存在扩散电容，更适合高频应用[9]。

电容C2同时作为滤波电容和储能电容。它决定了输出电压的建立时间和抖动幅度。电容越大，充电常数τ=RC越大，输出电压达到稳定的时间越长，但输出电压越平稳。

设计中C2选用100 pf的MuRata电容，由于电容存在漏电阻和寄生电感效应，输出电压的幅度抖动会略微的偏大，输出电压也会略微偏低。电容C1选用10 pf的MuRata电容。

2.2 仿真结果及分析

整流电路的整流效率可由式(5)计算[10-11]:

(5)

式中，VDC为直流输出电压，Rload为负载电阻，Pin为输入射频功率。利用ADS2011对整流电路进行谐波平衡仿真。在工作频率为f=2.45 GHz，负载电阻Rload=4.7 kΩ时，整流效率和输出直流电压随输入射频功率的变化曲线如图6和7图所示。

图6 整流效率随输入功率变化曲线

从图6和图7中可以看到，当输入功率大于-15 dBm时，随着输入功率增加输出直流电压也越大，在输入功率为0 dBm时，输出直流电压达到1.7 V，整流效率已达到59%，在输入功率为8 dBm时达到最大整流效率68%。

整流电路提供一定的功率输出，用于驱动其它电路。输出负载效应会影响到整流电路的整流效率和输出电压。图8为在工作频率为f=2.45 GHz，输入功率Pin=0 dBm时，整流效率随负载电阻的变化曲线。负载电阻Rload=4.7 kΩ时，有最大整流效率59%。

图8 整流效率随负载电阻变化曲线

3 结语

本文设计了一款结构新颖的整流天线。它可以为2.45 GHz的无源RFID标签获取射频能量，代替电池给传感器标签供电。研究发现通过在接收天线上挖孔能有效的抑制谐波辐射，采用圆极化技术能减小整流天线的极化失配，从而提高整流效率，稳定输出电压。通过让微带天线中的两个极化简并模发生分离并产生90°的相位来实现圆极化。零偏置电压二极管搭建的二倍压整流电路确保了整流天线在0 dBm的低输入功率的情况下有1.7 V的直流输出电压和59%的整流效率。基于以上研究，利用 DC-DC电压泵进一步提高输出电压、缩小天线尺寸和提高增益是我们进一步研究的方向。

[1] 黄俊,邹传云,刘利盛. 一种有源RFID标签的简单功率控制算法[J]. 通信技术, 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] 曾会勇,王光明,王亚伟等. 逆开环谐振器在微带天线谐波抑制中的应用[J]. 微波学报,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] 陈彬. 具有谐波抑制功能的低输入功率整流天线设计[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,邓俊勇,洪少华等. 无线局域网的双频圆极化圆环缝隙天线设计[J]. 浙江大学学报：工学版, 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] 戈鲁, 赫兹若格鲁. 电磁场与电磁波[M]. 北京:机械工业出版社, 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] 路德维格, 波格丹诺夫. 射频电路设计——理论与应用[M].第2版.北京：电子工业出版社，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

1002-0802(2015)09-1092-04