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）。
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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）。
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。
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
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耗材、仪器和软件列在材料表中。
1. 天线设计与仿真
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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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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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作者声明无竞争利益。
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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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 丙酮（光刻胶剥离剂） | Fisher Chemical | A18-4 | 纯度 ≥ 99.5% |
| Ansys HFSS 2022 R2 | Ansys Inc. | 版本：2022 R2，求解器：有限元法（FEM） | |
| 紧凑型电波暗室 | ETS-Lindgren | Model 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 2022 | Dassault Systèmes | 版本：2022，求解器：有限积分法（FIT） | |
| 数字万用表（DMM） | Keysight | 34461A | 直流电压范围：0–100 V，精度：±0.0035% |
| 数字USB显微镜 | Celestron | 44308 | 放大倍数：10x–200x，LED照明 |
| 干膜光刻胶 | ORCAL | 925 | 厚度 = 1.2 mil，压合温度 = 110 °C |
| 电子校准模块（ECal） | Keysight | N4691B | 频率范围：10 MHz – 26.5 GHz，双端口 |
| 氯化铁蚀刻剂 | MG Chemicals | 415 | 浓度 = 40–42 °Baumé，温度 = 40 °C |
| FR4环氧树脂覆铜板 | Isola Group | FR408 | εr = 4.3，tan δ = 0.025，厚度 = 1.6 mm，尺寸 = 125 mm × 95 mm |
| 热压覆膜机 | GBC | H65 | 温度范围：80–140 °C，速度：0.5–3 m/min |
| 异丙醇（清洗剂） | Sigma-Aldrich | 34863 | 纯度 = 99.9% |
| KiCad 7.0 | KiCad EDA | 开源软件，用于Gerber文件验证 | |
| 实验服 | Medline | DYNA23100 | 65%聚酯纤维 / 35%棉 |
| 无铅焊锡丝 | Kester | 245 No-Clean | 直径 = 0.8 mm，成分：Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5 |
| 电动天线定位器 | Orbit | FR-959 | 方位角旋转：0–360°，俯仰角：±180°，步进分辨率：0.1° |
| 丁腈手套 | Kimberly-Clark | Kimtech | 无粉，厚度：5 mil |
| PCB钻孔机（用于连接器孔） | Proxxon | MICROMOT 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 | Excelta | 225A-SF | 防磁，不锈钢材质 |
| 射频信号发生器 | Keysight | N5172B | 频率范围：9 kHz – 13.6 GHz，输出功率：+23 dBm |
| 安全护目镜 | Uvex | Stealth | 防雾，防紫外线 |
| SMA电缆，50 Ω | Huber+Suhner | Sucoflex 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 | Amphenol | 901-9871 | 50 Ω，频率范围：DC–18 GHz |
| 碳酸钠（显影剂） | Sigma-Aldrich | 451614 | 浓度 = 1% w/v（溶于去离子水） |
| 标准增益喇叭天线 | ETS-Lindgren | 3164-05 | 频率范围：800 MHz – 5 GHz，增益：6–12 dBi |
| 紫外LED曝光系统 | M&R | Saturn 2 | 波长：365 nm，功率：120 W |
| 矢量网络分析仪（VNA） | Keysight | N5222B | 频率范围：10 MHz – 26.5 GHz，端口数：2 |
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