无线功率传输

1、名稱：雙頻圓極化整流天線 學生：潘吉安指 導 教 授 ：簡聰富執 行 單 位：南台科技大學中華民國 95 年 2 月 27 日摘要整流天線(Rectenna在能源科技上扮演重要的電路元件，其主要的功能 是將所接收到的射頻功率(RF Power)轉換成直流功率(DC Power)，可解決感 測電路上將能源供應的問題。當隨著積體電路趨近於微小化的同時，相對 的其能源系統的體積將可大幅的縮小，藉由國內半導體製程技術之成熟， 可使其整流天線能在更高頻段操作下，縮小尺寸並與電路相容，對於產業 的升級將有重要的貢獻，特別在於生物晶片上電流的供應最具有潛力。早期所發展的整流天線，其主要是由平衡式半波長偶極天

2、線 (Half-wave dipole antenna)二極體(Diode)和負載(Load)所組成，其二極體主要是用來 作為整流元件。本計畫打算採用雙頻圓極化整流天線其操作頻率於 2.45GHz 以及5.8GHz;頻圓極化天線結合了雙頻以及雙圓形極化輻射的優勢，操作在兩 個ISM(Industrial，Scientific. Medical)的頻段上，並且將將所接收到的射頻 功率(RF power)轉換成直流功率(DC power)。本計畫將採用高速電腦中心(NCHC)所引進的三維電磁模擬軟體HighFrequency structure simulation (HFSS)Ansoft 公司

3、。此模擬軟體利用全波場 (full-wave field) 方式計算三維的被動元件，其直接式介面簡化設計流程，而 其後處理(post-processor)可清晰了解元件的電性品質，所以此軟體應可適用 於本計畫的需求。、緒論無線功率傳輸(Wireless Power Transmission簡稱 WPT,主要是將直流的 功率能量轉成微波(DC con vert to RF),由發送天線傳送自由空間，再由接收 天線截取微波轉換為直流(RF con vert to DC)。WPT最早是在十九世紀末 Nicola Tesla的放電感應實驗開始的，接下來其根本概念就被應用於無人直 升機(圖1-2)的無線

4、功率傳輸上，進而 William C. Brown所提出並實驗證實 其可行性，他使用鐵架機身，機身上是由許多的recte nna所組成的，整體面積大約四平方英尺，此概念由William C. Brown於1959年提出的，並於1964 年讓直升機實現升空。之後1968年Perer Glase提出太陽能衛星(Solar Power Satellite"圖1-1)的計畫，Solar Power Satellite在外太空運轉，將吸收太陽能量由微波傳至地球加以利用，未來將解決能源窮困的方案之一圖1-1太陽能衛星圖1-2無人操控直升機整流天線在無線功率傳輸系統上扮演重要的電路元件，其主要的功

5、能 是將所接收到的射頻功率轉換成直流功率，在未來則將應用於生物感測電 路之充電系統在本專題中，目前是著重於 Antenna的縮小，在天線的部份原是 PatchAntenna圖1-3之(a)作為研究開始，進而在饋入點處挖1/4入的槽孔(Slot)圖1-3之(b),使其縮小面積，再而参加 Short圖1-3之(c)更使體積縮小大約為 Patch Antenna之1/4入，甚至在槽孔天線上埋入晶片電容圖1-3之(d),可以藉由電容來控制頻率變化，並且不會使輻射效益降低，使其體積更是大幅 縮小，操作頻率降低。在整流電路(Rectifying Circuit)方面，因此我們一開始從倍壓整流作為研究對象，

6、其電路之電容元件以 SMD(Surface Mount Devices)規格，二極 體採用Schottky Diode。此研究目標中心頻設計在 433GHz以及2.45GHz, 且搭配研製之接收天線以達到最正确整流效率。(a)(b)(c)(d)圖1-3各類型天線、整流天線Recte nna (Rectify An te nna)是整流天線的簡稱，其組成的元件為接收天線(Receiving Antenna)、低通濾波器(Low Pass Filter)、整流電路(Rectify circuit)、直流濾波器(DC filter)以及最後的電阻負載(Resistive Load)，如圖2-1電路圖

7、Rectifying圖2-1 Rectenna電路方塊圖在無線電充電的 Rectenna的設計中，所選的頻段 433MHz、2.45GHz、5.8GHz、.，使用這些頻帶的主要原因第一是免費，第二是能免於干擾到 其他的通訊訊號或是他人所使用的頻段。在考慮到空氣的衰減，應用於無 線功率傳送的發射功率約為 14W之間，能夠在經過空氣的衰減還能有足 夠的能量供給傳送至接收端，像這樣的功率密度大小對於一般的通訊器材 來說是來的比較大，一般的手機及WLAN (Wireless LAN)的 Max PowerDensity都在1W之下，也必需考慮到功率密度大小對於人體的傷害，顯現 出微波功率對人體的潛在危

8、害性，在 ANSI/IEEE的標準指出在2.45GHz下 人體最大可承受的功率密度，在六分鐘內為 8.16mW/cm2，與三十分鐘內為 1.63mW/cm2，所以在未來設計Antenna應用在人體上就必需考慮及控制在 這樣功率密度大小下，以保護研究人員、使用者的平安。Recte nna是一種功率轉換元件，它能夠將微波的能量轉換成直流的能 量，就像換能器的功能，如發電機是將馬達的動能轉換成電能、太陽能電 池是將太陽光照射在太陽能板上作用轉換成電能形式等等。在SPS中的目標便是將太陽能轉成電能再轉成微波形式傳回地球，交由地面上的接收整流天線Rectify Antenna來接收微波將其Microwa

9、ve轉回DC的能源。2-1接收天線對於Rectenna的接收天線是用來將射頻RF變成電磁波的元件，對於 天線的設計一般為發射電波之頻率的 1/2波長，天線可選擇的種類很多，最 重要的便是低反射係數r或低駐波比VSWR和低損耗，本專題研究採用 天線為以下型式：一微帶線平面天線Microstrip Patch Antenna 1平面天線Patch Antenna平面天線圖2-2可由雙面金屬板雕刻製作而成，其結構包含金屬片(Patch)、介質基底(Dielectric Substrate)、接地平面(Ground)。圖 2-2 Patch Antenna結構圖設計公式如下,-0.5% +1、(2.1

10、)/、 -0.5名 +1 名-1(12 h)22 i W 丿(2.2)(2.3)£ _0 4(% +0.3Xwfh +0.264)(2.4)(g :導波波長)(2.5)0.412 he 一 0.258 w h 0.8(a)w 二4.2 1-0.5-0.103 m-0.52 9001 12 1.6 1030.103二 4.069L = °262 域 0. 749 _3 &(n0.)8例：設計 f =900 MHz 的 Patch Antenna 基板厚度 h = 1.6mm, ；=4.2，求 其(a)w = ? (b) L = ?計算過程： 嵌入式天線(Patch A

11、ntenna with Slot)在Patch Antenna饋入點處開槽，如圖2-3之(a)使耦合及阻抗匹配較為 容易，並有很好的頻寬特性。(3)短路柱天線(Patch Antenna with Short)在Patch Antenna結構中参加一個短路柱(Shorting Pin)如圖2-3之(b)俱有縮小尺寸的功用(a)(b)圖2-3 (a)嵌入式天線結構圖(b)短路柱天線結構圖2-2低通濾波器在Rectenna元件中，因為整流二極體是一非線性元件，其特性便是輸 出與輸入不會呈現線性等比的情況，而會由於內部的材料與結構的差異， 在較大的能量輸入產生高頻諧波，此諧波容易由天線而輻射出，反而

12、降低 了 Rectenna的效率，因此必需另外設計一低通濾波器 (Low Pass Filter)， 或是使用帶通濾波器(Band Pass Filter)將使通帶訊號能夠進入，並且避免高次諧波輻射到自由空間中，同時由適當的設計阻抗匹配網路，將能匹 配天線輸入阻抗與整流二極體的輸入阻抗來達成匹配的目標。但為了縮小Rectenna體積，我們將改进接收天線 Spiral Antenna的結構，來消除二倍頻，省去低通濾波器之步驟，以減小體積。2-3直流濾波器(DC Filter)為一個小電容大小從數pF到數千pF不等，依照訊號的頻率而定，選擇較大的電容有較平滑的輸出直流電壓，能將 RF的能量有的短路

13、到地，將DC Power送給負載。而此電容到diode的距離則必需根據diode的輸出內 電抗來決定，此長度抵消diode之內電抗來設計。等於是在輸出的局部造 成二極體的輸出電抗與外部的Microstrip 形成諧振。亦即這局部的功用為諧振能提高整流的效率以及電容之濾波整形的功能。如圖2-4為二極體特性及等效電路。圖 2-4 Shottky Barrier Diode的a整流特性曲線b等效電路電容C=1.0pF在2.45GHz時的電路阻抗 乙實際量測出來，如圖aC =21.66pFD+-口 I0DE1 Diode UODE2<201.0 ifR1R=1 kQhi再把電容C=1.0pF拿掉

14、去量它在2.45GHz的電路阻抗Z2如圖bZ2?03.4 j650C =0.999pF於是我們可以算出電容Zc Z 2=乙Zc56.689 - j 0.12930C = 0.5 nF(b)Cl C=1J<1FDnde DIODE1ModeDIODE2C2 _ C=1J0uFRR1R=1 kOiwiC=1.0pF在2.45GHz時，電路上的Zc女叭圖c)(c)11 cC3L C=1.OpF'JL我們得知在2.45GHz時，電路上電容C=1.0pF的阻抗為電容性，我們也另 外探討電路在別的頻段上，電容 C=1.0pF的阻抗是否也是電容性?(a)我們也針對2.40GHz的頻段並聯電容C

15、=1.0pF時的電路阻抗 乙量測出來,如(圖a)_ 63.271 +j4.56Q1 一 L=0.302nHD+-«Dd& 口 IODE1 Diode D1ODE2<2丄 BLOd3R1 R=1 kQhi再把電容C=1.0pF拿掉去量它在2.40GHz的電路阻抗Z2如圖(b)(b).C =3.092pFci C=1J<1FDixieDIODE1 Diode DIODE2C C2_ C=1J0uFR.R1'R=1 kOtiik於我們可以算出電容 C=1.0pF在2.40GHz時，電路上的阻抗Zc如圖(c)ZcZ 2=ZiZc473 +j28.68L =1.9

16、nH1C3L O1.Q&FI(c)我們發現用SMD規格的電容在高頻下會變成不穩定的電性，在2.45GHz時，Zc =56.689 一 j0.1293其虛數項為負代表電容性；但 2.40GHz時，Z -4.73 j28.68其虛數項為正代表電感性。結論是 SMD規格的電感電容不適用在高頻率的電路作阻抗匹配，我們再以另一種方式適合在高頻下穩定的作阻抗匹配，我們想出以微帶線的特性來取代之前SM啲電容。(a)(b)(c)圖4-21a俯視圖b側視圖c立體圖單位：mm圖 4-22 Patch antenna with short尺寸改變A參數比較：當B=5、C=3時：單位：mm如圖4-23,越遠離

17、饋入點其中心頻越偏離，且反射量也越大。Ptal 1:5 Matrix DataA=如3餐町*血活乳虫，闭1円呼 如1叶口空|曲;匸7阳已tllg _-工星5J日以咽-HE吨一 ；JilifcgHA=11iA=8152?£圖4-23改變A參數的影響改變B參數比較：當A=8、C=3時：單位：mm如圖37,趨勢與A參數一樣，越接近饋入點其中心頻越準，反射量也 越少。Plot I: S Matrix OalqGap-FrqwncytGHii圖4-24改變B參數的影響改變C參數比較：當A=10.5、B=9時:單位：mm如圖4-25,短路柱Shorting Pin之直徑越小其降頻效果越明顯DOf

18、a厂IC=2 -f IPlot I: SMdhnix Data曲追世応壬空|丿:|昨1 也£fl=i平 盘 晟主中和mi斗IC=2.4C=2.5實體量測與模擬比較363.126Q2.2 l3.6C(mm)圖4-25改變銅柱大小對頻率的影響單位：mm16.4513.4509.5(b)26 Patch antenna with short (a尺寸(b)實際成品圖it ftp(FFlJTT 冋 Hr44I3®587Ej右rr2.4413GHz-1-31.23dBC or 3 00 MHzSTOP 3060.600 MHz29 Sep 209503 = 41