杜曉風(fēng),馬　黎,萬(wàn)　洪,雍明陽(yáng)

(西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院,四川 成都 610039)

?

微波無(wú)線電力傳輸?shù)奈ш嚵刑炀€設(shè)計(jì)

杜曉風(fēng),馬黎,萬(wàn)洪,雍明陽(yáng)

(西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院,四川 成都 610039)

為改善傳統(tǒng)微帶天線的方向性和增益系數(shù),設(shè)計(jì)了一種基于微帶天線的陣列天線模型,并通過(guò)電磁仿真軟件HFSS 對(duì)其進(jìn)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(gè)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(wú)線電力的傳輸效率和傳輸距離。

微帶陣列天線;微波無(wú)線電力傳輸;增益系數(shù);方向性系數(shù)

最近,日本太空發(fā)展局提出創(chuàng)建太空太陽(yáng)能站計(jì)劃[1],即在外太空建設(shè)一個(gè)大型的太陽(yáng)能,利用外太空大量的太陽(yáng)能持續(xù)向地球內(nèi)部供電。目前這個(gè)計(jì)劃的核心問(wèn)題是如何把外太空的電能傳輸?shù)降厍騼?nèi)部。由此,無(wú)線電力傳輸技術(shù)被眾多科學(xué)家看好[2],并致力研究。一般無(wú)線電力傳輸技術(shù)常用的有:電磁感應(yīng)方式、耦合方式、微波方式、激光方式[3]。而微波式無(wú)線電力傳輸(MWPT, microwave wireless power transmission)由于傳輸距離遠(yuǎn),被科學(xué)家認(rèn)為是可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸且能夠解決太空輸電問(wèn)題的最佳傳輸方式[4]。因此本文設(shè)計(jì)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(wú)線電力傳輸?shù)膫鬏斝屎桶l(fā)射距離。

1　微帶天線設(shè)計(jì)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(jì)70年代制造出了實(shí)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(diǎn),廣泛應(yīng)用在傳輸電路中。

對(duì)于微帶天線的設(shè)計(jì),首先要選擇介質(zhì)基板,本文選擇介電常數(shù)ε為2.45的材料作為介質(zhì)基板。根據(jù)公式[6]:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:εe為有效介電常數(shù);ΔL為等效輻射縫隙長(zhǎng)度。

根據(jù)式(1)～(4),得出本文所設(shè)計(jì)的工作頻率為10 GHZ的微帶天線的長(zhǎng)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(zhì)基板的長(zhǎng)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(dāng)在y=0時(shí),輸入阻抗為50 Ω的饋電點(diǎn)位置位于L1=1.59 mm處:

采用Ansoft HFSS軟件對(duì)該微帶天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),如圖2所示。在貼片長(zhǎng)度為9.43 mm時(shí),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(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)圖2顯示的數(shù)據(jù),把原微帶天線的貼片長(zhǎng)度設(shè)置為9.43 mm,并對(duì)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(shè)計(jì)

單個(gè)微帶天線由于其增益較小,方向性系數(shù)也相對(duì)較低,所以為了增強(qiáng)天線的方向性和提高天線的增益,可以把若干個(gè)相同的天線按照一定的規(guī)律排列起來(lái),這就是天線陣列的概念[7]。本文把8個(gè)10 GHz微帶天線陣元通過(guò)計(jì)算,按照一定規(guī)律構(gòu)成了一個(gè)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(shè)計(jì)的微帶天線。為了能夠提高天線的特性以及保持每個(gè)天線單元的激勵(lì)電流幅度和相位始終相等,選取合適的饋電網(wǎng)絡(luò),則成為設(shè)計(jì)陣列天線的一個(gè)重要部分[8]。

圖6　陣列天線的饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

從圖6可以看出,從饋電點(diǎn)到各個(gè)陣元間的微帶線長(zhǎng)度及其結(jié)構(gòu)完全相同,因此這種設(shè)計(jì)能夠保證經(jīng)過(guò)饋電網(wǎng)絡(luò)后到各個(gè)陣元端的幅度和相位保持相同。在設(shè)計(jì)陣列天線時(shí),還要降低陣元與陣元之間的互耦效應(yīng)[9]。本設(shè)計(jì)中為了降低該效應(yīng),取陣元間距為陣元間距為0.75個(gè)自由空間工作波長(zhǎng),即22.5 mm。

本次設(shè)計(jì)的微帶陣列天線結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　微帶陣列天線結(jié)構(gòu)圖

該微帶陣列天線由8個(gè)相同的微帶天線單元構(gòu)成,該微帶天線單元的大小和前文所設(shè)計(jì)的單微帶天線大小相同,都為9.353 mm×11.42 mm。通過(guò)所設(shè)計(jì)的饋電網(wǎng)絡(luò),把這8個(gè)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(lì)。對(duì)于同軸線饋電,首先需要在介質(zhì)基板的底層創(chuàng)建一個(gè)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(shí)需要在接地面開(kāi)一個(gè)圓孔使得能夠允許能量的傳輸,該圓孔就是信號(hào)傳輸端口面。創(chuàng)建同軸饋線的內(nèi)芯,內(nèi)芯的材料選擇理想導(dǎo)體,長(zhǎng)度穿過(guò)介質(zhì)層并與參考地面相接。在創(chuàng)建好饋電端口后,將在信號(hào)傳輸端口面port端外加激勵(lì),其激勵(lì)選擇集總端口激勵(lì)(Lumped Port)[10]。然后為陣列天線模型,即微帶天線貼片和饋電網(wǎng)絡(luò)合并后的平面模型、介質(zhì)基板的底面設(shè)置邊界條件,該邊界為理想導(dǎo)體邊界(PEC),目的是為了模擬理想導(dǎo)體。最后通過(guò)HFSS進(jìn)行仿真。

3　微帶陣列天線的仿真及分析

用HFSS13.0對(duì)所設(shè)計(jì)的微帶天線進(jìn)行仿真。首先設(shè)置分析中心頻率為10 GHz,自適應(yīng)網(wǎng)格剖分的最大迭代次數(shù)為20,收斂誤差為0.02,掃頻頻率范圍為7～13 GHz,掃描類(lèi)選擇快速掃描(FAST)。在設(shè)置結(jié)束后,進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shí)在在hfss的radiation中建立遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)報(bào)告,通過(guò)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(jù)陣列天線的仿真分析圖并與前面的單微帶天線對(duì)比不難看出,通過(guò)饋電網(wǎng)絡(luò)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(duì)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(dá)到了預(yù)期的效果。

4　結(jié)　語(yǔ)

基于微帶天線的微帶陣列天線結(jié)構(gòu)雖然陣元與陣元之間的互耦效應(yīng)導(dǎo)致陣列天線的回波損耗相對(duì)于單個(gè)微帶天線的回波損耗要差,但是通過(guò)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(shù)相對(duì)于單個(gè)微帶天線有顯著提高。同時(shí)陣列天線的主瓣也更加尖銳,旁瓣也相對(duì)減小,間接提高了陣列天線的方向性系數(shù)。而方向性系數(shù)和增益系數(shù)的提高有助于無(wú)線電力傳輸?shù)膫鬏斁嚯x以及傳輸效率的提升。雖然該設(shè)計(jì)依然有互耦效應(yīng)較大的瑕疵,但是還是達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo),后期可繼續(xù)對(duì)此天線進(jìn)行改善和提高,以減小互耦效應(yīng),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(xué)良,譚林林,陳中,等. 無(wú)線電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào):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(fēng). 三角型超材料設(shè)計(jì)及其對(duì)微帶天線方向性系數(shù)的改善研究[C]//西華青年文萃:西華大學(xué)研究生優(yōu)秀論文選.成都:西華大學(xué),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(shí).微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1991.ZHONG Shunshi. Theory and application of microstrip antenna[M]. Xian: Xidian University Press,1991.

[7] 鐘順時(shí),朱春輝,劉俊,等.一種低旁瓣微帶天線線陣列的分析與設(shè)計(jì)[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法[C]//2001 年全國(guó)微波毫米波會(huì)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(duì)微帶天線陣交叉極化影響的研究[C]//2009年全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集 (上冊(cè)). 西安: 中國(guó)電子學(xué)會(huì),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(zé)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(fēng)(1991—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)槌牧虾吞炀€陣列以及在無(wú)線電力傳輸?shù)膽?yīng)用。

TM724

A

2095-6843(2016)04-0305-04