胡晨浩，許天羿，孫虎成

（南京信息工程大學(xué)，江蘇南京，211800）

0 引言

通信領(lǐng)域無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)中，電磁輻射場(chǎng)區(qū)一般分為遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)。遠(yuǎn)場(chǎng)是指以場(chǎng)源為中心，半徑為一個(gè)波長(zhǎng)之外的空間范圍；而近場(chǎng)是指以場(chǎng)源為中心，在一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的區(qū)域，在通信領(lǐng)域內(nèi)常用于射頻識(shí)別（RFID）和近場(chǎng)通信（NFC)。

遠(yuǎn)場(chǎng)中，所有的電磁能量基本上均以電磁波形式輻射傳播，且能量衰減慢。故遠(yuǎn)場(chǎng)中電、磁場(chǎng)強(qiáng)度可視為有E×H=377的恒定關(guān)系，且接收功率可由Friis公式進(jìn)行表征。而近場(chǎng)中，由于天線(xiàn)中的電流和電荷會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電感和電容效應(yīng)，故近場(chǎng)感應(yīng)效應(yīng)與遠(yuǎn)場(chǎng)輻射效應(yīng)相比隨距離增加而衰減的速度快得多，且電、磁場(chǎng)強(qiáng)度不均勻度較大，沒(méi)有確定的比例關(guān)系，故迄今為止沒(méi)有統(tǒng)一的公式表征。

故本文采用HFSS仿真常見(jiàn)微帶貼片天線(xiàn)、天線(xiàn)陣列，對(duì)其近場(chǎng)的能量輻射情況進(jìn)行仿真分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了擬合等分析，最終推導(dǎo)歸納出在一定限制條件下近場(chǎng)的效率傳播的特性，并得到最優(yōu)化仿真模型。

1 方案設(shè)計(jì)

本文旨在對(duì)近場(chǎng)情況下微波能量效率傳播特性的研究。待研究的近場(chǎng)微波能量傳輸系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。前端采用模擬信號(hào)源提供信號(hào)，再采用微帶貼片天線(xiàn)進(jìn)行組陣處理形成天線(xiàn)陣列，對(duì)增益進(jìn)行放大，將其作為微波能量發(fā)射端和接收端，接收陣列接收后通過(guò)整流器、直流變換器得到經(jīng)過(guò)傳輸?shù)妮斎胄盘?hào)。通過(guò)對(duì)仿真得到的一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合與分析，從而得到關(guān)于增益G和距離d的傳輸效率。后期進(jìn)行加工測(cè)試構(gòu)造近場(chǎng)微波效率傳播模型并驗(yàn)證得到的推論。本項(xiàng)目的具體研究?jī)?nèi)容如下：

圖1 近場(chǎng)微波能量傳輸系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 微帶貼片天線(xiàn)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中微帶天線(xiàn)由輻射源、介質(zhì)層和參考地三部分組成。并采用同軸線(xiàn)饋電方式，它是將同軸插座安裝在接地板上，同軸線(xiàn)內(nèi)導(dǎo)體穿過(guò)介質(zhì)基片接在輻射貼片上，尋取正確的饋電點(diǎn)的位置就可以獲得良好的匹配。通過(guò)HFSS建模創(chuàng)建中心頻率為2.4GHz的仿真模型并仿真模型增益系數(shù)。

圖2 微帶貼片天線(xiàn)仿真圖

表1 貼片天線(xiàn)模型參數(shù)

通過(guò)模型仿真計(jì)算得增益系數(shù)（abs）為2.56，通過(guò)公式（1）：

計(jì)算得到天線(xiàn)參數(shù)Ae為3.05808×10exp(-3)，再通過(guò)公式（2）：

由于本模型接收發(fā)送天線(xiàn)模型相同，此時(shí)At與Ar均為Ae，故計(jì)算得β參數(shù)為0.025。

圖3 貼片天線(xiàn)模型增益系數(shù)

1.2 傳輸模型設(shè)計(jì)

傳輸模型定為兩個(gè)相同的貼片天線(xiàn)相對(duì)放置，其中天線(xiàn)傳輸距離d從5mm到500mm等間隔進(jìn)行仿真，仿真不同距離d情況下S12參數(shù)，并通過(guò)公式（3）轉(zhuǎn)化得S12：

傳輸效率即為計(jì)算出得S12的百分制數(shù)，再通過(guò)公式（4）計(jì)算得參數(shù)τ:

圖4 d=40mm時(shí)S參數(shù)

2 系統(tǒng)仿真與分析

在單天線(xiàn)發(fā)送單天線(xiàn)接收的情況下，天線(xiàn)采用矩形貼片結(jié)構(gòu)，隨著能量傳輸距離從500mm縮小到5mm，傳輸效率不斷提升，但提升速度逐漸緩慢，最終趨于45%，若將天線(xiàn)結(jié)構(gòu)換成圓形貼片，能量傳輸效率隨傳輸距離的變化特性趨勢(shì)一致，但在每一個(gè)傳輸距離點(diǎn)上的傳輸效率都略低于貼片天線(xiàn)的情況。當(dāng)對(duì)天線(xiàn)組陣進(jìn)行仿真模擬，傳輸效率會(huì)跟隨陣列數(shù)的提升，傳輸效率也獲得提升，在一定誤差下傳輸效率趨勢(shì)和理論相同，隨著τ的增加，傳輸速率增長(zhǎng)指數(shù)先緩慢上升，在τ大于1.2后增長(zhǎng)指數(shù)緩慢下降，傳輸速率最終也趨向90%。

表2 不同傳輸距離d情況下兩種貼片天線(xiàn)傳輸效率（部分）

但矩形貼片天線(xiàn)和圓形貼片天線(xiàn)都存在如下問(wèn)題：在收發(fā)天線(xiàn)能量傳輸距離50mm到70mm的距離區(qū)間內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)能量傳輸效率在10%左右上下起伏波動(dòng)的情況，很不穩(wěn)定，而不是呈上升的大趨勢(shì)，和理論公式圖像不相符。

圖5 傳輸特性曲線(xiàn)分析圖

對(duì)由數(shù)學(xué)擬合（matlab）得到的傳輸特性曲線(xiàn)圖進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，該模型的傳輸特性變化趨勢(shì)與1974年威廉·C·布朗教授團(tuán)隊(duì)的結(jié)論大致相符，證明了傳輸效率較高時(shí)，輻射分布趨于高斯分布，且在天線(xiàn)邊緣有所截?cái)唷＞C合分析可以得出結(jié)論，如果孔徑面積適當(dāng)調(diào)整以保持較高恒定值，天線(xiàn)效率將與接收端與發(fā)射端的距離無(wú)關(guān)。

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)從微帶貼片天線(xiàn)出發(fā)，研究近場(chǎng)情況下距離、天線(xiàn)屬性等因素對(duì)傳輸效果的影響，針對(duì)當(dāng)前近場(chǎng)這一領(lǐng)域進(jìn)行了探索與學(xué)習(xí)，基于三維電磁軟件HFSS仿真微帶貼片天線(xiàn)、天線(xiàn)陣列，并通過(guò)數(shù)學(xué)擬合等工具對(duì)所得的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證文獻(xiàn)中的理想分析與推論。希望通過(guò)本次設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，為近場(chǎng)能量傳輸研究提供一份新的借鑒和參考。