蘇 飛，孫智陽

（天津理工大學(xué)電氣電子工程學(xué)院，天津300384）

美國、日本、中國臺灣地區(qū)在20世紀(jì)60年代就出現(xiàn)了以發(fā)明問題解決的理論（teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch，TRIZ）為基礎(chǔ)的研究，一些大學(xué)將TRIZ列為工程設(shè)計方法學(xué)課程。在俄羅斯，TRIZ理論一直被作為大學(xué)專業(yè)技術(shù)必修科目，而且還設(shè)置有TRIZ理論的研究生專業(yè)方向。在美國、北歐等國家的許多院校也都分別開設(shè)了創(chuàng)新教育或類似課程，這些大學(xué)都將TRIZ理論列為工程設(shè)計方法學(xué)的核心課程，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性解決問題的思維和能力。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，如今TRIZ理論和方法已經(jīng)發(fā)展成為一套解決實際問題的成熟理論和方法體系。在激活學(xué)生的思維、強化創(chuàng)新意識、改善教學(xué)方法與手段、訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新思維等方面，逐步引導(dǎo)學(xué)生采用TRIZ理論中40個發(fā)明創(chuàng)造原理，為學(xué)生提供聯(lián)想思維、想象思維、靈感思維和相互啟發(fā)的平臺。但由于我國大學(xué)生創(chuàng)新活動的自身特點，此項工作在我國研究起步較晚，目前進行的探索性研究并不多，已有的報道僅限于部分省市將TRIZ應(yīng)用于課堂啟發(fā)性教學(xué)方面，并表現(xiàn)出了良好的效果[1-2]。

天津大學(xué)機械工程學(xué)院開設(shè)創(chuàng)新課程后，經(jīng)過計算機輔助創(chuàng)新軟件和理論培訓(xùn)的3名工業(yè)設(shè)計專業(yè)大學(xué)生在2004年舉辦的全國大學(xué)生第三屆“創(chuàng)新杯”設(shè)計大賽中，運用CBT/NOVA中提供的TRIZ理論的創(chuàng)新原理和技術(shù)系統(tǒng)進化法則等工具，借助于Pro/Innovator軟件，解決實際設(shè)計過程中遇到的難題，設(shè)計出“城市烏篷”方案，以其造型新穎、結(jié)構(gòu)富有創(chuàng)新性，一舉奪得設(shè)計大獎并獲得了專家的高度評價。通過40個學(xué)時的培訓(xùn)，有20余名大學(xué)生在校期間申請了專利。北方工業(yè)大學(xué)在運用CBT/NOVA中提供TRIZ理論的創(chuàng)新原理和技術(shù)系統(tǒng)進化法則等工具，借助Pro/Innovator軟件，對創(chuàng)新大賽中關(guān)于網(wǎng)球拾球器的概念設(shè)計難題提供了諸多解題思路，并獲獎。此外，南京理工大學(xué)，華南農(nóng)業(yè)科技大學(xué)等為數(shù)不多的高校對創(chuàng)新方法在大學(xué)生創(chuàng)新實踐中的應(yīng)用，同樣進行了初步嘗試和研究。課題組通過該項目的研究，初步探索出了一些有價值的結(jié)果，主要有：一是在大學(xué)生創(chuàng)新實踐計劃項目實施中對創(chuàng)新方法有需求上的緊迫性；二是明確創(chuàng)新方法完全適合在支撐計劃創(chuàng)新領(lǐng)域應(yīng)用；三是在大創(chuàng)實踐領(lǐng)域適度開展了創(chuàng)新方法的普及和傳播，初步培養(yǎng)了一支創(chuàng)新的團隊；四是在部分領(lǐng)域開展了試點工作，取得了良好的效果。同時也分析出，這些結(jié)論在一定程度上是點對點嘗試應(yīng)用基礎(chǔ)上得到的，而科研實踐和TRIZ創(chuàng)新方法結(jié)合的理論研究、項目計劃管理研究和創(chuàng)新模式或規(guī)律研究尚未涉及[3]。

本文首先說明TRIZ與工程設(shè)計實踐相結(jié)合的方法，以解決實際問題和發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新點的基本原理；其次，基于TRIZ解決發(fā)明的基本流程，分別從定義最佳理想解、技術(shù)矛盾分析等多個工具詳細說明如何進行問題的提出與描述、沖突矩陣的構(gòu)建、發(fā)明原理的對應(yīng)；最后給出最終方案[4-5]?；赥RIZ解決問題的流程如圖1所示。

圖1 基于TRIZ解決問題的流程Fig.1 Flow of solving problems based on TRIZ

TRIZ理論把問題歸結(jié)為矛盾，將矛盾分成物理矛盾和技術(shù)矛盾。對于物理矛盾從時間、空間和物質(zhì)理想狀態(tài)分析尋求解決矛盾的方法；對于技術(shù)矛盾，利用TRIZ的矛盾分析工具形成矛盾矩陣，利用標(biāo)準(zhǔn)的39個工程技術(shù)參數(shù)及對應(yīng)的40個發(fā)明原理，引導(dǎo)開發(fā)者發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)和解決問題的方法[6-7]。無線傳能技術(shù)中最核心的部分是對整流天線的設(shè)計，國外對于整流天線的研究起步較早，我國于1994年才開始重視無線傳能技術(shù)，目前對微帶整流天線的設(shè)計還不完善[8-10]。

本文把TRIZ應(yīng)用于無線傳能領(lǐng)域的天線設(shè)計中，目標(biāo)是實現(xiàn)遠距離、高效率的電磁波能量傳輸。首先通過TRIZ工具分析得到影響無線傳能的關(guān)鍵參量，然后借助HFSS實現(xiàn)天線的設(shè)計、仿真、測試和優(yōu)化。

1 TRIZ方法應(yīng)用

1.1 項目背景

隨著信息時代的發(fā)展，手機成為絕大多數(shù)人進行溝通和獲取信息的工具，是當(dāng)今人類與外界溝通的重要媒介，但對手機進行充電以保證其工作的同時還要保證使用手機的可移動性成為了一個難題。在使用傳統(tǒng)有線充電方式和磁耦合式無線充電方式進行充電中，手機不能進行自由移動，若想提高充電時的可移動性，需要增加無線充電的傳輸距離。充電裝置分為接收裝置與發(fā)射裝置兩部分。發(fā)射機通過傳感器在空間內(nèi)智能尋找接收機的位置，隨后用微波式傳電方式對這個位置進行集中輸電，輸電距離可以滿足居家環(huán)境的充電需求。促進人工智能更容易融入生活，實現(xiàn)萬物互聯(lián)。在發(fā)送和接收系統(tǒng)中，天線的設(shè)計至關(guān)重要，本項目借助TRIZ創(chuàng)新工具實現(xiàn)高發(fā)射和接收效率天線，按照問題分析、IFR定義、功能分析定義矛盾、借助發(fā)明原理和物場分析尋找解決方案。

1.2 最佳理想解（IFR）分析

首先，根據(jù)天線傳輸效率的公式來定義IFR，公式表示為：

式中，d為接收端與天線之間的距離；λ為電磁波波長；GT為發(fā)射天線增益；GR為接收天線增益。

IFR定義p為最大，因此，設(shè)計最終的目標(biāo)是d=0，Lfr=0，即無損耗無限遠無線電能傳輸。顯然在實際傳輸環(huán)境中無法做到無損耗即Lfr≠0。經(jīng)過頭腦風(fēng)暴分析，初步得到電能、空氣、智能系統(tǒng)是可以改善系統(tǒng)性能的資源要素，而設(shè)計目標(biāo)是智能系統(tǒng)。IFR排除限制條件，以明確理想解的方向，保證了問題解決中沿此思路進行，IFR分析如表1所示。

表1 IFR分析Tab.1 IFR analysis

1.3 系統(tǒng)功能分析

微波無線傳能系統(tǒng)一般由3部分構(gòu)成，即發(fā)射天線、整流天線和負載。整流天線系統(tǒng)中除了接收天線還有可抑制高次諧波的低通濾波器、決定整流效率的整流二極管和直通濾波器這4部分，組間相互作用如表2所示。

表2 組間相互作用表Tab.2 Inner group co-function

為了更好地用TRIZ分析整流天線功能模型如圖2所示。由于本文只設(shè)計接收天線，所以重點分析和接受天線有關(guān)的對象。

圖2 整流天線功能模型Fig.2 Function model of rectification antenna

基礎(chǔ)模型圖，重點挖掘的矛盾問題有3個：

問題1：發(fā)射天線和接收天線之間受空間環(huán)境、收發(fā)天線的匹配等因素影響，導(dǎo)致單元收發(fā)天線之間的傳輸效率過低。根據(jù)TRIZ理論，將其定義為不足。

問題2：接收天線和外部結(jié)構(gòu)的相互限制。天線尺寸越大，負載得到的能量越多，但由于外部結(jié)構(gòu)將接收天線固定時限制了天線的尺寸，這極大影響了能量傳輸。

問題3：接收天線和低通濾波器之間存在阻抗匹配問題，且在低通濾波器濾除高次諧波的同時會引入其固定的接入損耗，影響能量傳遞。

1.4 物場模型和標(biāo)準(zhǔn)解

利用TRIZ理論的物場分析，建立不充足場模型，如圖3（a）所示，并通過查找標(biāo)準(zhǔn)解在物質(zhì)S1或者S2內(nèi)部引入一種添加物S3來解決問題，最終確定解決方案為將接收天線組成陣列，即增加相同的單元天線，充足場模型如圖3（b）所示。

圖3 物場模型Fig.3 Substance-field model

1.5 技術(shù)矛盾

針對問題2，利用TRIZ理論的技術(shù)矛盾分析，結(jié)合40個發(fā)明原理，通過問題分析，將問題2的通用工程參數(shù)定義為系統(tǒng)復(fù)雜性和能量損失，查閱矛盾矩陣得出的解決發(fā)明原理如下：序號35為改變參數(shù)，改變物理狀態(tài)或其他參數(shù)，天線大小和頻率呈負相關(guān)，故將頻率選定在合適范圍減小天線尺寸。

針對問題3，同理將工程參數(shù)定義為系統(tǒng)可靠性和功率。基于矛盾矩陣，篩選可能采用的發(fā)明原理，序號11為預(yù)先應(yīng)急措施，事先準(zhǔn)備必要的措施以便應(yīng)對因物體性能不穩(wěn)定而造成的麻煩，即增加反饋系統(tǒng)。但在本設(shè)計中不予考慮反饋系統(tǒng)的設(shè)計；序號26為仿制，用廉價的仿制品代替不易得到的材料。即將微帶天線設(shè)計為SIR結(jié)構(gòu)代替低通濾波器，或用現(xiàn)有集成芯片實現(xiàn)整流濾波功能。考慮到天線成本問題，不予采納此方法。

綜上所述，將本設(shè)計定為工作于5.80 GHz的微帶天線，后續(xù)可考慮用帶有反饋系統(tǒng)的濾波整流芯片與微帶天線相結(jié)合的方式。

2 5.8 GHz微帶天線的設(shè)計

2.1 單元天線的設(shè)計

根據(jù)相應(yīng)的理論分析，在本次設(shè)計中，將天線設(shè)計在60 mm×60 mm×1.60 mm的材料為FR-4矩形介質(zhì)基板上，貼片材料為銅片，介電常數(shù)εr=4.4，損耗正切角tanδ=0.02。天線初步設(shè)計參數(shù)如表3所示。

表3 天線初步設(shè)計參數(shù)Tab.3 Initial parameters of antenna

通過HFSS仿真進一步確定天線長度和寬度對天線性能的影響。通過不斷優(yōu)化得到天線最終參數(shù)，如表4所示。

表4 天線最終參數(shù)Tab.4 Final parameters of antenna

設(shè)計得到天線性能如圖4所示。

圖4 天線性能Fig.4 Performance of antenna

可以看出，在5.80 GHz時，S11值為-50.36 dB，說明此天線性能較好，天線工作帶寬為202 MHz。輸入阻抗為（49.943 0-j0.297 7）Ω，天線結(jié)構(gòu)已經(jīng)達到良好匹配。

2.2 陣列天線的設(shè)計

基于本次設(shè)計的單元天線，可將天線設(shè)計為串并結(jié)合的饋電陣列，與單元天線相比，饋電方式發(fā)生變化，改為探針饋電的方式。在組陣列時，各單元天線之間存在互耦效應(yīng)，以及兩者的輸入阻抗也不同，將導(dǎo)致天線單元在天線陣中的方向圖發(fā)生改變，為了解決互耦效應(yīng)，單元天線之間間距大小的設(shè)置尤其重要。經(jīng)過68次優(yōu)化，確定陣列天線的最終參數(shù)如表5所示。

表5 陣列天線的最終參數(shù)Tab.5 Final parameters of array antenna

設(shè)計得到天線陣列性能如圖5所示。

圖5 天線陣列性能Fig.5 Performance of array antenna

由圖5（b）可看出在5.80 GHz時，輸入阻抗為（50.412 4-j4.971 3）Ω，已經(jīng)達到良好的匹配。

2.3 天線實物制作

制作的天線實物及實測如圖6所示。由于加工條件的限制，難免與理想模型有一定差距。

圖6 天線實物及實測Fig.6 Real-made antenna and measurement

一方面是由于加工制作時產(chǎn)生的誤差，另一方面是由于測試設(shè)備的限制，如實驗環(huán)境中存在噪聲及各種干擾因素。由圖6測試結(jié)果可以看出，在諧振頻段內(nèi)，此陣列天線滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)論

本設(shè)計基于TRIZ理論的最佳理想解和系統(tǒng)功能兩種分析方法，推導(dǎo)出設(shè)計無線傳能中微帶天線的3個重要參量；其次，設(shè)計了一種中心頻點為5.80 GHz的嵌入式微帶貼片單元天線，微帶線饋電。經(jīng)過HFSS優(yōu)化，仿真結(jié)果顯示天線除方向性外其余指標(biāo)性能良好；第三，設(shè)計出同軸饋電串并結(jié)合式陣列天線；最后，經(jīng)過仿真優(yōu)化，天線的方向性得到極大改善。實物測試結(jié)果表明，設(shè)計的陣列天線滿足整體設(shè)計要求。