胡晨浩，许天羿，孙虎成

（南京信息工程大学，江苏南京，211800）

0 引言

通信领域无线射频技术中，电磁辐射场区一般分为远场和近场。远场是指以场源为中心，半径为一个波长之外的空间范围；而近场是指以场源为中心，在一个波长范围内的区域，在通信领域内常用于射频识别（RFID）和近场通信（NFC)。

远场中，所有的电磁能量基本上均以电磁波形式辐射传播，且能量衰减慢。故远场中电、磁场强度可视为有E×H=377的恒定关系，且接收功率可由Friis公式进行表征。而近场中，由于天线中的电流和电荷会产生强烈的电感和电容效应，故近场感应效应与远场辐射效应相比随距离增加而衰减的速度快得多，且电、磁场强度不均匀度较大，没有确定的比例关系，故迄今为止没有统一的公式表征。

故本文采用HFSS仿真常见微带贴片天线、天线阵列，对其近场的能量辐射情况进行仿真分析，对实验测试的数据结果进行了拟合等分析，最终推导归纳出在一定限制条件下近场的效率传播的特性，并得到最优化仿真模型。

1 方案设计

本文旨在对近场情况下微波能量效率传播特性的研究。待研究的近场微波能量传输系统拓扑结构如图1所示。前端采用模拟信号源提供信号，再采用微带贴片天线进行组阵处理形成天线阵列，对增益进行放大，将其作为微波能量发射端和接收端，接收阵列接收后通过整流器、直流变换器得到经过传输的输入信号。通过对仿真得到的一系列数据进行数学拟合与分析，从而得到关于增益G和距离d的传输效率。后期进行加工测试构造近场微波效率传播模型并验证得到的推论。本项目的具体研究内容如下：

图1 近场微波能量传输系统拓扑结构

1.1 微带贴片天线设计

本项目中微带天线由辐射源、介质层和参考地三部分组成。并采用同轴线馈电方式，它是将同轴插座安装在接地板上，同轴线内导体穿过介质基片接在辐射贴片上，寻取正确的馈电点的位置就可以获得良好的匹配。通过HFSS建模创建中心频率为2.4GHz的仿真模型并仿真模型增益系数。

图2 微带贴片天线仿真图

表1 贴片天线模型参数

通过模型仿真计算得增益系数（abs）为2.56，通过公式（1）：

计算得到天线参数Ae为3.05808×10exp(-3)，再通过公式（2）：

由于本模型接收发送天线模型相同，此时At与Ar均为Ae，故计算得β参数为0.025。

图3 贴片天线模型增益系数

1.2 传输模型设计

传输模型定为两个相同的贴片天线相对放置，其中天线传输距离d从5mm到500mm等间隔进行仿真，仿真不同距离d情况下S12参数，并通过公式（3）转化得S12：

传输效率即为计算出得S12的百分制数，再通过公式（4）计算得参数τ:

图4 d=40mm时S参数

2 系统仿真与分析

在单天线发送单天线接收的情况下，天线采用矩形贴片结构，随着能量传输距离从500mm缩小到5mm，传输效率不断提升，但提升速度逐渐缓慢，最终趋于45%，若将天线结构换成圆形贴片，能量传输效率随传输距离的变化特性趋势一致，但在每一个传输距离点上的传输效率都略低于贴片天线的情况。当对天线组阵进行仿真模拟，传输效率会跟随阵列数的提升，传输效率也获得提升，在一定误差下传输效率趋势和理论相同，随着τ的增加，传输速率增长指数先缓慢上升，在τ大于1.2后增长指数缓慢下降，传输速率最终也趋向90%。

表2 不同传输距离d情况下两种贴片天线传输效率（部分）

但矩形贴片天线和圆形贴片天线都存在如下问题：在收发天线能量传输距离50mm到70mm的距离区间内，会出现能量传输效率在10%左右上下起伏波动的情况，很不稳定，而不是呈上升的大趋势，和理论公式图像不相符。

图5 传输特性曲线分析图

对由数学拟合（matlab）得到的传输特性曲线图进行分析可以发现，该模型的传输特性变化趋势与1974年威廉·C·布朗教授团队的结论大致相符，证明了传输效率较高时，辐射分布趋于高斯分布，且在天线边缘有所截断。综合分析可以得出结论，如果孔径面积适当调整以保持较高恒定值，天线效率将与接收端与发射端的距离无关。

3 结语

本设计从微带贴片天线出发，研究近场情况下距离、天线属性等因素对传输效果的影响，针对当前近场这一领域进行了探索与学习，基于三维电磁软件HFSS仿真微带贴片天线、天线阵列，并通过数学拟合等工具对所得的数据结果进行分析，验证文献中的理想分析与推论。希望通过本次设计与实验，为近场能量传输研究提供一份新的借鉴和参考。