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方法文章

用于射频能量收集应用的共面波导馈电超宽带单极天线

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DOI：

10.3791/70346

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2026年8月7日

 ,  ,  , 
1Polytechnic College of Engineering Specialization, Middle Technical University, 2Al-Karkh University of Science, 3Department of Computer Science, College of Science, University of Diyala, 4Department of Automation and Artificial Intelligence Engineering, College of Information Engineering at Al-Nahrain University, 5International Applied and Theoretical Research Center (IATRC)

本文内容

摘要

本方案定义了一种低成本、共面波导馈电（CPW）的超宽带（UWB）天线的仿真、设计、测试和制造方法，用于在多个通信频段进行射频能量收集（RFEH）。

摘要

基于无线充电的射频能量采集（RFEH）技术在为低功耗物联网（IoT）设备供电方面具有广阔前景；然而，其效率仍受限于天线设计与阻抗匹配。本研究开发了一种适用于RFEH的印刷天线，采用共面波导（CPW）馈电结构。该天线由一种类似无花果树叶片的半圆形分形辐射贴片构成，并在低成本FR4基板上加工出矩形切口。其工作带宽为700 MHz至3 GHz，覆盖多个关键通信频段，包括GSM、WLAN、ISM和Wi-Fi应用。通过计算电磁建模软件进行了数值仿真。实验结果表明，该天线在五个目标频率（850 MHz、900 MHz、1800 MHz、1900 MHz和2400 MHz）下均具有稳定的全向辐射方向图以及成功的射频到直流（RF-to-DC）转换效率，验证了其适用性。该天线在环境射频条件下为低功耗IoT设备供电方面展现出应用潜力。本研究旨在对比实测结果与仿真结果。最后，数值仿真与实验结果对比显示两者具有良好的一致性。

引言

5G、6G 和物联网（IoT）等无线通信系统的最新发展1,2,3,4，导致对高效的射频能量收集（RFEH）解决方案的需求不断增长。城市环境中充斥着来自蜂窝基站、Wi-Fi 接入点和广播发射机的环境射频信号，使其成为低功耗电子设备合适的寄生电源5,6,7。特别是超宽带（UWB）天线（如单极子结构）非常适合射频能量收集应用，主要得益于其宽瞬时带宽、简单的平面几何结构以及易于与整流电路集成的特点8。馈电的共面波导（CPW）结构提供了进一步优势，包括更好的阻抗匹配、减少馈线引起的寄生辐射，以及无需背侧接地层即可实现更简便的制造工艺9。

尽管已有多种超宽带（UWB）天线被报道用于通用无线通信，但这些天线大多侧重于信号保真度或脉冲保持，而非在特定商用频段内实现高效的宽带射频到直流（RF-to-DC）能量转换10,11。其他近期研究方向包括紧凑型高增益设计12、集成了匹配网络的整流天线专用天线13，以及用于认知无线电的可调结构14。然而，这些技术通常依赖多层基板、复杂的蚀刻工艺或窄带谐振器，限制了其在环境多频段能量收集场景中的应用。与现有技术相比，本研究在直接对比下提供了四项实用改进：（1）一种完全可打印的单层FR4结构，相较于多层或高频层压解决方案，降低了制造成本与复杂性15,16；（2）工作带宽从700 MHz扩展至25 GHz，可同时覆盖GSM（全球移动通信系统）、DCS、PCS和Wi-Fi频段，而许多先前的天线覆盖的频段更少或不连续17,18；（3）在能量收集系统中进行了明确的实验验证（在五个离散频率上测量RF-to-DC转换效率），而不仅仅是S11或增益表征19,20；（4）采用共面波导馈电（CPW-fed）的半圆形几何结构，并带有矩形切口，可在无需过孔（via holes）或缺陷地结构的情况下实现宽带匹配，从而在资源有限的条件下更易于复现21。

射频环境能量采集技术具有广阔的应用前景，但其实用化实现受到诸多已有文献记载的限制。在城市环境中，环境射频场的功率密度通常在 0.1 µW/cm2 至 1 µW/cm2 范围内，对应小型天线接收到的功率水平约为 -30 dBm 至 -10 dBm22,23。因此，本文在能量采集评估中设定输入射频功率水平为 -20 dBm，以涵盖中等距离环境采集场景。此处所指的“低功耗设备”包括基于物联网的传感器、可穿戴设备以及无线节点，其所需的平均直流功率在 100 µW 至 1 mW 之间24。一个已知的局限性（本文预期并在讨论部分将重新提及）是采用了损耗角正切值较高（tan δ = 0.025）的 FR4 基板，这会导致在约 2 GHz 以上频率时效率下降；然而，由于具备宽阻抗匹配特性，目标频段（最高至 2.4 GHz）以及扩展的超宽带（UWB）范围仍适用于能量采集25。

提出了一种采用共面波导馈电的超宽带单极天线，其结构包含一个半圆形贴片和两个对称的矩形切口，专门设计用于在850/900 MHz的GSM频段、1800 MHz的DCS频段、1900 MHz的PCS频段以及2400 MHz的Wi-Fi频段进行射频能量收集。该天线的创新之处在于其几何结构简单、经实验验证的宽频带特性，以及在能量收集评估板上直接实现射频到直流的转换。据我们所知，目前针对这五个频段、采用商用整流器实现的低成本、可打印的超宽带单极天线，专门用于多频段能量收集的研究仍较为有限26,27,28。

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方案

耗材、仪器和软件列在材料表中。

1. 天线设计与仿真

  1. 基板选择与初始结构
    1. 选择介电常数（εr）为 4.3、损耗角正切（tan δ）为 0.025、尺寸为 125 mm × 95 mm × 1.6 mm 的 FR4 基板，如图 1所示。
    2. 打开电磁场仿真软件，创建新项目并将单位设置为毫米。
    3. 使用内置的 FR4 模型定义基板材料。
    4. 在同一层上绘制一个半圆形铜贴片（半径 = 40 mm）和一个矩形接地板（95 mm × 40 mm）。
    5. 插入一条 50 Ω 的共面波导馈线（宽度 = 3 mm，间隙 = 0.5 mm），并将其连接至贴片。
  2. 超宽带性能的结构优化
    1. 在半圆形贴片的下边缘对称地添加两个矩形切口（宽度 = 3 mm，深度 = 5 mm）。
    2. 将共面波导馈线以 20° 角度展开，以改善阻抗匹配。
    3. 进行参数扫描，变化切口宽度（1–5 mm）、切口深度（2–10 mm）和展开角度（10°–30°）。
    4. 设置频率范围为 0.5 MHz 至 3 GHz，使用时域求解器并设置开放边界条件。
    5. 在馈线处定义离散端口，添加远场辐射监测器，并评估天线表面电流分布，如图 2所示。
    6. 进行仿真并检查 S11 参数，迭代优化直至在 0.5 MHz 至 3 GHz 范围内 S11 < -10 dB。
  3. 使用其他软件进行交叉验证
    1. 将最终的天线设计结构导出为 .SAT 文件。
    2. 导入所提出的模型后，运行有限元电磁仿真软件。
    3. 分配相同的材料属性和边界条件。
    4. 采用有限元法（FEM）进行仿真，设置频率扫描范围为 0.5 MHz 至 3 GHz，共 2001 个采样点。
    5. 比较 CST 求解器得到的 S11 频谱和辐射方向图，以确认结果一致性。

2. 天线制备

  1. PCB 布局准备
    1. 从 CST 导出顶层和底层的最终设计为 Gerber 文件。
    2. 在 PCB 设计软件（KiCad）中运行 Gerber 文件，并确认尺寸。
    3. 为 SMA 孔生成 NC 钻孔文件。
  2. 光刻工艺
    1. 用异丙醇清洁 FR4 基板，并充分干燥。
    2. 在 115 °C 下将干燥的光刻胶膜覆盖到目标基板上。
    3. 使用高分辨率打印机将天线层打印在透明薄膜上。
    4. 将掩模薄膜对准并压紧在基板上，随后用紫外光照射 50 秒。
    5. 将基板在 1.5% w/v 的碳酸钠溶液中显影 70 秒。
    6. 用去离子蒸馏水冲洗，并用新鲜空气吹干。
  3. 蚀刻与完成
    1. 使用 45 °C 的氯化铁溶液蚀刻暴露的铜，时间为 6–12 分钟。
    2. 在去除不需要的铜后停止蚀刻。
    3. 用丙酮剥离残留的光刻胶。
    4. 如图 3所示，使用无铅焊料将 SMA 连接器焊接到设计的共面波导馈线上。
    5. 在显微镜下检查天线是否存在缺陷。

3. 实验测量与表征

  1. S11 谱测量
    1. 通过一根 50 Ω 柔性同轴电缆将天线连接至功率谱分析仪。
    2. 使用电子校准套件完成完整的双端口校准过程。
    3. 设置频率范围为 0.5 MHz 至 3 GHz，采样点数为 2001，中频带宽为 1 kHz。
    4. 对 10 次扫描取平均值以最小化噪声。
    5. 测量 S11 并将数据导出为 .csv 文件。
  2. 辐射方向图测量
    1. 将天线置于消声室（4 m × 4 m × 4 m）内的电动转台上。
    2. 将天线的相位中心与旋转轴对齐。
    3. 使用一个标准增益喇叭天线作为发射天线，放置在距离 3 m 处。
    4. 将信号发生器设置为各目标频率（850、900、1800、1900、2400 MHz），输出功率为 0 dBm。
    5. 以 5° 为步进旋转待测天线，并记录接收到的功率。
    6. 将方向图归一化至最大增益，并以 dB 为单位绘图。
  3. 射频能量收集性能评估
    1. 将天线连接至商用射频能量收集评估板。
    2. 在每个目标频率下输入功率为 -20 dBm 的射频信号。
    3. 使用数字万用表测量 1 kΩ 负载电阻两端的直流输出电压。
    4. 使用以下公式计算射频-直流转换效率：
       功率转换效率方程；用于计算电子电路效率的公式。
    5. 重复测量三次并取结果平均值。

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结果

图1 展示了所提出天线的几何结构，该天线由一个带有两个对称矩形切口的半圆形辐射贴片和一个共面波导（CPW）馈电线路组成。在1.8 GHz时的表面电流分布，如图2所示，证实了电流在馈电线路以及贴片下边缘处高度集中，这与实现宽带阻抗匹配的基本谐振模式一致。图3展示了在低成本FR4基板上成功制造的原型实物照片，验证了该设计的可实现性。

该天线在700 MHz至25 GHz范围内呈现出S11 < -10 dB的阻抗带宽（图4A）。仿真与实测结果吻合良好；20 GHz以上出现的微小偏差主要由基板损耗和加工公差所致。图4B展示了工作带宽内仿真与实测的增益。在关注的频段内，实测增益峰值介于1.5 dBi至3.2 dBi之间。

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讨论

提出了一种具有两个对称矩形切口的简单改进型单极子结构，用于设计工作频率范围从700 MHz到25 GHz的宽带共面波导馈电超宽带单极子天线。本节对实验方案提供了关键的方法学解读，讨论了优化设计决策与故障排查考虑因素，将该设计与现有方法进行了比较，并探讨了其未来应用与发展方向。

影响实验性能与可重复性的关键实验步骤

在实验方案中，有多个步骤对于确保天线性能的成功以及实验的可重复性尤为关键。首先，使用异丙醇进行基底制备和清洗（步骤 2.2.1）对光刻胶的附着至关重要；若清洗不充分，可能导致光刻胶中出现针孔以及刻蚀不均匀，从而在 10 GHz 以上频率引起阻抗匹配的显著劣化。其次，紫外曝光时间（步骤 2.2.4）为 45 秒，以及在 1% 碳酸钠溶液中的显影时间（步骤 2.2.5）为 60 秒，必须严格控制；曝光或显影过度会改变 3 mm 缺口宽度和 0.5 mm 共面波导（CPW）间隙这两个关键尺寸。第三，如步骤 2.3.1 所述，刻蚀温度设定为 40 °C，该温度直接影响刻蚀速率；当温度偏离 ±...

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披露

作者声明无竞争利益。

致谢

作者感谢国际应用与理论研究中心（IATRC）提供的技术支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
丙酮（光刻胶剥离剂）Fisher ChemicalA18-4纯度 ≥ 99.5%
Ansys HFSS 2022 R2Ansys Inc.版本：2022 R2，求解器：有限元法（FEM）
紧凑型电波暗室ETS-LindgrenModel 5300内部尺寸：4 m × 4 m × 4 m，频率范围：700 MHz – 40 GHz
铜箔覆层通用PCB铜箔厚度 = 35 µm（1盎司），附着力 = 1.5 N/mm²
CST Studio Suite 2022Dassault Systèmes版本：2022，求解器：有限积分法（FIT）
数字万用表（DMM）Keysight34461A直流电压范围：0–100 V，精度：±0.0035%
数字USB显微镜Celestron44308放大倍数：10x–200x，LED照明
干膜光刻胶ORCAL925厚度 = 1.2 mil，压合温度 = 110 °C
电子校准模块（ECal）KeysightN4691B频率范围：10 MHz – 26.5 GHz，双端口
氯化铁蚀刻剂MG Chemicals415浓度 = 40–42 °Baumé，温度 = 40 °C
FR4环氧树脂覆铜板Isola GroupFR408εr = 4.3，tan δ = 0.025，厚度 = 1.6 mm，尺寸 = 125 mm × 95 mm
热压覆膜机GBCH65温度范围：80–140 °C，速度：0.5–3 m/min
异丙醇（清洗剂）Sigma-Aldrich34863纯度 = 99.9%
KiCad 7.0KiCad EDA开源软件，用于Gerber文件验证
实验服MedlineDYNA2310065%聚酯纤维 / 35%棉
无铅焊锡丝Kester245 No-Clean直径 = 0.8 mm，成分：Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5
电动天线定位器OrbitFR-959方位角旋转：0–360°，俯仰角：±180°，步进分辨率：0.1°
丁腈手套Kimberly-ClarkKimtech无粉，厚度：5 mil
PCB钻孔机（用于连接器孔）ProxxonMICROMOT 50/E钻头直径：1.2 mm（用于SMA安装孔）
Powercast P2110B评估板Powercast Corporation集成匹配网络、肖特基整流器和储能电容
精密镊子Excelta225A-SF防磁，不锈钢材质
射频信号发生器KeysightN5172B频率范围：9 kHz – 13.6 GHz，输出功率：+23 dBm
安全护目镜UvexStealth防雾，防紫外线
SMA电缆，50 ΩHuber+SuhnerSucoflex 104长度 = 1 m，频率范围：DC – 26.5 GHz，插入损耗 < 0.5 dB（在18 GHz时）
SMA母头PCB边缘安装连接器Amphenol901-987150 Ω，频率范围：DC–18 GHz
碳酸钠（显影剂）Sigma-Aldrich451614浓度 = 1% w/v（溶于去离子水）
标准增益喇叭天线ETS-Lindgren3164-05频率范围：800 MHz – 5 GHz，增益：6–12 dBi
紫外LED曝光系统M&RSaturn 2波长：365 nm，功率：120 W
矢量网络分析仪（VNA）KeysightN5222B频率范围：10 MHz – 26.5 GHz，端口数：2

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