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用于小型化无线能量传输的紧凑型整流天线设计

Hucheng Sun Zheng Zhong和Yong-Xin Guo

电气与计算机工程系，新加坡国立大学，新加坡，新加坡

应用电磁学研究中心，南京信息工程大学，南京，江苏，中国

新加坡国立大学苏州研究院，苏州，江苏，中国

摘要：本文提出了一个用于小型化无线能量传输（WPT）的紧凑型整流天线，并给出了一个具体的为可穿戴的光刺激器供能的整流天线设计实例。作为设计的一个重要指标，所需整流天线的尺寸应在1.5times;1.5times;1 cm³之内。该整流天线由一个天线和一个整流电路组成。这两部分是单独进行设计，然后集成在一起。为了充分利用有限的尺寸，在本设计中使用了一个环形天线，并将整流电路部分放置在回路中。此外，为使设计进一步的小型化，整流电路不使用匹配电路而直接匹配天线。在加工出实物之后，整流天线是先连接一个电阻负载以测试它的直流功率输出能力。然后，该整流天线连接到一个超级电容以存储转换出的直流功率。在测量过程中，用一个标准喇叭天线发出入射波给整流天线。这实验表明，当给发射喇叭天线加以合适的功率输入时，整流天线的输出电压和获取的能量可满足设计要求。

关键词：无线能量传输、整流天线、小型化、环天线，整流器

1. 介绍

无线能量传输（WPT）[1,2]技术有着悠久的发展历史，它起源于太空/国防应用。该技术有利于电能的电源到电负载的无线传输，这对于传统的导线互连的不方便，危险和无法完成是特别有用的。例如，WPT可以应用于电力高压电力线的传感器，移动医疗设备等。通常，有两种类型的WPT，远场WPT和近场WPT。一个远场WPT系统的关键部件是整流天线[ 3 ]，其中包括一个天线[4,5]和整流电路。由天线接收的射频功率将会整流，然后被电阻负载或超级电容器所消耗。对各种整流天线–[ 6 10 ]进行了研究并且设计为不同的应用。

表1

整流天线的预期特征数据总结

图1。提出的天线的结构。（a）俯视图。（b）侧面图。参数是：WS = 14mm，WR = 10mm，W = 0.6mm。

图2。5.8MHz天线的仿真辐射方向图。

在本文中提出了，一个用于小型化无线能量传输的紧凑型整流天线。对于一个具体的例子，这是特别设计为可穿戴的光刺激器，将被安装在一个可自由移动/行为的老鼠大脑1米距离的位置。作为一个关键的指标，该整流天线的尺寸应优先安置于1.5times;1.5times;1cm³的范围内，这是由于项目相关研究的要求。该整流天线预期特征列于表1。为了充分利用有限区域，在本设计中使用了一个环形天线，使整流电路可以放置在回路中。此外，为了进一步节省空间，整流电路直接匹配天线与精确的协同仿真过程。此外，超级电容器被用作其功率存储元件。由于超级电容器往往是庞大的，应该使用一个合适的大小的已确定的商业模型。最后，该整流天线实际尺寸和提出的充电性能，表明该整流天线的设计满足要求的规格。

1. 整流天线的设计

2.1天线的设计

为了充分利用空间，在本设计中采用了一个环形天线，使整流部分可以在回路内布置。所提出的天线的配置如图1所示。这是印在一个31mil厚的Rogers RT/Duroid 5880基板。天线在环路的一端短路。为了减小孔径大小而不牺牲组件效率，工业，科学和医疗（ISM）频段集中在选择作为工作频率的5.8 GHz。这个频率是比另一个2.45 GHz ISM频段有吸引力的，因为对于定向功率传输有较小的构件尺寸和更大的传输范围。此外，在这个工作频率点，一个环路的一个波长的圆周可以设置在所需的大小。

图3。（a）提出的整流器的电路结构。参数：C1 C2 = 1 = 0.4 PF，PF，C3 =5 PF，R1 = 6000Omega;，D1和D2是肖特基二极硬件安全模块产品- 2860。（b）对所加工的整流天线的照片。

图4。模拟的效率和电压与输入功率整流器。

由于天线是直接匹配的整流，其输入阻抗需要先确定。因此，软件Advanced Design System（ADS）已被用来仿真研究整流器的输入阻抗特性。在第一阶段，初步整流，只含集总元件：两个二极管、三个电容器和一个电阻器，与3 V直流输出电压的目标优化，2mW的输出功率，效率高（高于60%在这种情况下）。优化后，整流器的输入阻抗约1.38-j60.53Omega;（输入功率为8 dBm，频率为5.8 GHz）得到了以下的天线设计。环路天线的输入阻抗可以通过调整环路的大小和短路针的位置来调节。

环形天线的仿真辐射方向图的绘制在图2中有一个峰值增益为2.3 dBi。前后辐射比在XOZ和YOZ平面宽边方向达到4.3分贝。低交叉极化小于18 dBminus;宽波束宽度可在XOZ和YOZ平面观察。半功率波束宽度（HPBW）超过80◦，这是由于整流天线的小偏差不会导致在输出的直流电压和功率急剧下降的好处。

2.2整流器设计

如图3（a），整流器是由两隔直电容（C1、C2），一个肖特基二极管检波器对（D1和D2），旁路电容C3，和一个负载电阻R1组成的。 二极管对（硬件安全模块产品- 2860，内置电压为350 mV，击穿电压为7 V）是连接在一个倍压器的拓扑结构，以便最大限度地提高整流电路输出的直流电压[ 6 ]。

在设计过程中，输入阻抗的天线被导入到ADS的共同仿真整流器。对电容和二极管的值和位置进行了调整，以优化匹配性能和转换效率[ 3 ]。为了获得良好的性能，需要对天线进行匹配以获得良好的性能。如一个可以在50Omega;匹配的天线和整流器或直接共轭匹配的天线和整流器。在本设计中，用了第二个的方法。在ADS中的整流器的优化目标被设置为匹配的基波频率的输入阻抗，而不匹配的二次和第三次谐波。通过这种方式，它不仅使这个空间更为紧凑，同时也抑制了系统的整流效率效益的插入损耗。电容器和电阻器的优化值图3给出了的说明。6000Omega;电阻性负载实现优化以获得最大射频到直流转换效率。

图5。测量设置说明。

整流器的模拟效率和输出直流电压作为输入功率的函数如图4所示。可以看出，随着输入功率的增加，整流器的效率会上升直到输入功率超出8.3 dBm，这时二极管将会被击穿。输入功率的范围从0增加到10 dBm时，输出的直流电压会随着输入功率增加。可以发现，当输入功率为6 dBm，输出直流电压，输出直流电源分别为3.74 V和2.33mW，都满足表1中列出的要求。

2.3链路预算

从Friis传输方程来看，

Pr = Pt Gt Gr 20log10 （1）

在PR的接收功率，Pt是发射功率，GT是发射天线的增益，GR是接收天线增益，lambda;是波长，D是天线之间的距离，获得单位功率单元和dBi，dBm。用于传输可用的喇叭天线增益为11.9 dBi（GT）在5.8 GHz。GR 2.3 dBi（接收天线的模拟增益），D是1米，和lambda;是51.7mm（5.8 GHz）。基于式（1），当接收到的功率为6 dBm，在2.2节中提到，发射功率为39.5 dBm然后PT，这也符合最大发射功率条件下（＜40 dBm）。

1. 整流天线测量

3.1带电阻负载的整流天线测量

制作天线的照片在图3（b）中给出。图5说明了测量设置。发射喇叭天线和被测天线之间的距离是1m。Pin是指发射喇叭天线的输入功率，而在整流电阻直流输出电压是Vout。6000Omega;电阻就用在这个阶段。收获的直流电源功率Pout上由电阻消耗的功率可以通过用Vout计算出。

测量整流天线的输出直流功率Pout和电压Vout对发射喇叭天线的输入功率的图绘制在图6。可以看出，当输入功率发射喇叭天线为40 dBm，输出直流电压为4.7 V，输出直流功率为5.7 dBm（3.7 mW）。图7给出了输入功率发射喇叭天线保持为40 dBm时，测量整流天线的输出直流功率和电压的与负载电阻的关系曲线。可以发现，只有当负载电阻大于1.9 KOmega;小于12.5 KOmega;时，直流输出功率超过2mW。另外，为了确保输出直流电压高于3 V，负载电阻应大于3 KOmega;。因此，负载电阻被封闭在3到12.5 KOmega;。当负载电阻上升，输出直流电压接近5.15 V的最大可达到的值。为了给接下来的超级电容器的合理选择一些指导，整流天线近似为直流电压的电压源Vo为5.15 V。其内部电阻的计算为574Omega;，是基于当负载电阻为6 KOmega;时，实际的输出直流电压为4.7 V。

图6。整流天线的输出直流功率和输出直流电压的数值与发射喇叭天线的输入功率的关系曲线。

图7。当发射天线的输入功率为40 dBm时，整流天线的输出直流功率和输出电压的数值与负载电阻的关系曲线，。

3.2.加载超级电容的整流天线测量

为了存储整流天线在可穿戴式光刺激器的空闲周期间内转换的能量，在可穿戴式光刺激器的工作周期时为其供能，可考虑用一个超级电容组件代替6000Omega;电阻性负载。如前面提到的整流部分，近似为直流电压源。因此，连接超级电容的整流后，电压Vc和电流Ic在超级电容器上是：

（2）

（3）

这里的t是时间和C是超级电容的电容。然后负载电阻提供了超级电容的整流天线可以计算为

（4）

在上一部分讨论，应在3到12.5 KOmega;从而满足输出的直流电源和电压要求。因此，它可以通过计算得到

1.83RC lt; t lt; 3.13RC （5）

图8。充电超级电容器的电压的充电时间和制造一个超级电容的整流天线。

图9。超级电容器的充电时间的充电功率。

在这里，超级电容器具有较大的电容C是首选，因为更多的能量可以存储。但是，C不能过大，否则充电过程会太长。如果选择的超级电容器需要5分钟的预充电时间后提供2mW的电力存储能力，这时C lt; t/1.83R = 0.286 F。因此，超级电容器的电容应使用小于0.286F的。在本文中，是选取了商用的超级电容器EEC-S0HD334H of 0.33 F (10.5 times; 11.5 times; 4.5 mm³)。由于大小的限制，两个0.165F的电容并联的结构也被比较考虑。所制作的天线与超级电容的照片是在图8中。当发射天线的输入功率为40 dBm时，这些整流天线的超级电容都在相同的情况下测试。图8为转换后的直流电压与充电时间，这显示了0.165F的电容直流电压的增加速度更快是由于它的小时间常数。在下面的方程（6）是来计算一个超级电容器的变化功率的。当电压V1到V2充电时间间隔T时，其充电功率的定义是：

（6）

基于式（6），这两电容的充电功率与充电时间绘制在图9。可以发现的0.165F的电容的充电电源经过一些初步的充电时间可以保持2mW以上，这也符合连续收获的功率（2mW）的要求。因此，考虑到所有这些因素，由两个0.165F的电容并联的结构被最终设计采用。

3.3.尺寸使用率比较

因为尺寸是本设计最关键的指标，这项工作的尺寸使用是和其他几个典型5.8-GHz 整流天线 [ 6,11,12 ]相比较，详情见表2。使用尺寸计算为

其中是天线的有效孔径的大小，而是整流天线总的物理尺寸。从表2可以看出，该整流天线在这个限定的尺寸里用得最多。同时，该整流天线的配置并不局限于这个特定的尺寸，如果所需的尺寸变化，还可以扩展到其他的频率保以持最有效的大小。 因此，它是在未来整流天线设计有严格的尺寸要求时，一个很好的候选者。

表2

尺寸使用率比较