集成于太陽能電池板的高增益分形天線設計

張丞皓，陳 星

(四川大學 電子信息學院，四川 成都 610065)

集成于太陽能電池板的高增益分形天線設計

張丞皓，陳 星

(四川大學 電子信息學院，四川 成都 610065)

基于眾多領域中通信和可持續供能的雙重需求，以太陽能電池為基板設計和制作了一種新型高增益天線。該天線在發射和接收電磁波的同時，能夠利用太陽能電池發電。通過提取了太陽能電池板介電常數，并采用Peano分形結構，設計了一款工作頻點為5.8 GHz、集成于太陽能電池板表面的高增益微帶天線。仿真和測試結果表明，天線的遮擋效應僅降低了太陽電池板的14.7%輸出功率，并且具備良好電磁輻射性能。其|S11|<-10 dB阻抗帶寬為2.78%(5.67～5.83 GHz)、5.8 GHz的增益達到17.3 dBi。

天線；太陽能電池；分形；高增益

0 引言

近年來能量短缺和環境污染已成為影響經濟社會發展的重要因素，太陽能作為一種潔凈的可再生能源受到了越來越多的重視[1]，太陽能電池作為太陽能發電設備得到日益廣泛的應用[2]。天線是現代無線通信設備中關鍵部件，如果能夠將天線與太陽電池集成在一起，天線在發射和接收電磁波的同時，能夠利用太陽能電池發電。這無疑在衛星[3]、無線通信系統[4]、野外應急通信[5]和遙測遙感[6]等領域中有重大應用前景。

目前集成太陽能電池板和天線主要有3種方式：① 將太陽能電池板直接置于天線的頂部使用，面積不超過天線的大小，如文獻[7-8]。但這種設計中，太陽能電池面積受到很大限制，嚴重影響其發電量，并且太陽能電池的遮擋將影響天線輻射性能。② 使用透明導電材料如ITO(銦錫氧化物)作為天線基板，將天線集成于太陽能電池表面,如文獻[9-10]。ITO具有較高的透光性，對太陽能電池的發電量影響較小，但是材料昂貴且加工困難。③ 在太陽能電池板表面集成線狀或網狀天線[11]，天線對太陽能電池的遮擋較小，并且加工成本低，但要兼顧天線性能和太陽能電池發電量2項性能，對天線設計有較大挑戰。

本文設計集成于太陽能電池板的高增益天線，實現無線通信和太陽能發電共用。采用分形結構進行天線設計，該天線為網狀微帶線結構，從而在獲得天線高增益性能條件下，盡可能減小天線對太陽能電池的遮擋效應。

1 太陽能電池板等效介電常數提取

采用單晶硅太陽能電池板，其太陽能發電能力為95 W/m2，厚度約為1.5 mm。為實現在太陽能電池板上加工制作微帶天線，首先必須提取太陽能電池板的等效介電常數。為此，采用在太陽能電池板表面粘帖矩形銅皮(厚度為0.1 mm)和打孔的方式，制作了4只不同長度、寬度和饋電點位置，SMA接頭頂饋的矩形貼片天線，如圖1(a)所示。然后用矢量網絡分析儀分別測試4個天線的反射系數|S11|，同時，采用商業電磁計算軟件CST Microwave Studio仿真計算上述貼片天線在一系列等效介電常數下的反射系數|S11|。通過測試和仿真|S11|數據的對比來提取太陽能電池板的等效介電常數。圖1(a)列舉了其中一只貼片天線(圖1(a)左上角天線，W=40 mm，L=29 mm，ΔL=7 mm)的等效介電常數掃參仿真和測試|S11|結果對比。提取得到的太陽能電池板等效介電常數為2.3。

(a) 天線實物

(b) 天線的仿真與實測|S11|圖1 采用矩形貼片天線提取太陽能電池板等效介電常數

為了進一步驗證該等效介電常數提取值的準確性，按該結果仿真設計了一只工作頻率為5.8 GHz貼片天線(圖2(a)，W=20 mm，L=15 mm，ΔL=5 mm)，并對比了其仿真和測試的|S11|(圖2(b))，可以看到二者吻合良好，證明提取的太陽能電池板等效介電常數值2.3是準確的。

(a) 天線實物

(b) 天線的仿真與實測|S11|圖2 驗證太陽能電池板等效介電常數提取值準確性的貼片天線

2 Peano分形微帶天線設計

對集成于太陽能電池板的天線，在保證增益等天線性能的前提下，天線需要有盡可能少的金屬面積，從而將天線對太陽能電池的遮擋減小到最低，保障盡可能高的太陽能電池發電量。為此，本文采用了分形天線結構。

分形理論由法國數學家芒德布羅首先提出[12]。分形是指迭代生成無限精細的結構，常用的有規分形圖案有科赫雪花曲線[13]、謝爾賓斯基地毯曲線[14]和皮亞諾空間填充曲線[15]等。其中，皮亞諾(Peano)空間填充曲線是由意大利數學家皮亞諾提出的，能填滿一個正方形的曲線。將如圖3(a)中單位邊長的正方形9等分，然后連接每個小正方形的中點，獲得一階皮亞諾曲線。與其他分形曲線相比，皮亞諾曲線更為簡潔，作為天線結構更易加工。再將上述得到的每個小正方形9等分，依次連接所有正方形的中點后就可以得到如圖3(b)所示的二階皮亞諾曲線。依據此方法，可以繼續生成更高階的皮亞諾曲線。雖然更高階的皮亞諾天線會帶來更高的增益，但是其阻抗帶寬會以數量級的速度減小[16]。作為2個參數的折衷，本文采用二階皮亞諾曲線結構設計高增益微帶天線。

(a) 一階皮亞諾曲線

(b) 二階皮亞諾曲線

因為皮亞諾曲線是分形周期結構，所以可以截取單個周期進行研究。從左下角饋電，皮亞諾天線的電流方向如圖4(a)標注所示。當M+N=λ/2時，電流將在通過M段和N段后發生相位反轉，之后電流每傳輸半個波長的距離都會發生相位反轉。此時在縱向上的電流同相、在橫向上的電流反相，因此橫向上的電流有一定程度的抵消，而縱向上的電流相互疊加，在天線中充當輻射段[17]。但當電流傳輸至上半部分時，又會形成電流反相。此時需要加一個180°移相器，使得天線在更大范圍的縱向上電流方向相同，如圖4(b)所示。其中，縱向段可等效為偶極子天線[18]。

(a) 未加移相器的電流分布 (b) 加移相器后的電流分布圖4 皮亞諾天線周期結構電流分布

由于電流是邊傳輸邊輻射能量的，如果從二階皮亞諾天線的左下角進行饋電，那么天線右上部分電流強度要明顯弱于左下部分。電流的不均勻分布會在一定程度上影響空間方向圖的合成[18]。為了使電場在整個天線上均勻分布，采用中心對稱的方式排布天線。首先以二階皮亞諾曲線右上角頂點為坐標原點構建坐標系，然后以Y軸為對稱軸進行左右對稱、以X軸為對稱軸進行上下對稱。最后選取天線幾何中心即坐標原點為饋電點。但是經過對稱處理后，上下兩部分電流是反相的。為了使天線輻射單元電流流向一致，需要在中間添加180°的移相器，最終確定的皮亞諾天線如圖5所示。

圖5 皮亞諾天線結構

圖5中，M=16.6 mm；N=8.9 mm；W=1 mm；L1=3.4 mm；L2=4.4 mm；L3=17.3 mm；K1=3 mm；K2=5.3 mm；K3=4.7 mm；L=145 mm。

3 測試與分析

根據上節設計結果加工了天線樣品，如圖6(a)所示。天線樣品的仿真和矢量網絡分析儀測試|S11|曲線如圖6(b)所示，可以看到測試和仿真結果吻合良好，其實測|S11|<-10 dB阻抗相對帶寬為2.78%(5.67～5.83 GHz)。

(a) 天線實物

(b) 仿真和實測的|S11|曲線圖6 皮亞諾天線天線樣品及|S11|曲線

仿真和實測的方向圖如圖7所示，其增益達到17.3 dBi，主旁瓣比為9.8 dB。

太陽能電池板輸出功率測試如圖8所示，通過測試表面集成Peano分形天線前后的太陽能電池板的輸出電流和電壓，測試了Peano分形天線對太陽能電池板發電量的影響。測試表明，集成Peano分形天線前，太陽能電池的輸出功率為0.429 W(6.57 V*65.4 mA)，集成后則為0.366 W(6.53 V*56.1 mA)，發電量下降14.7%。與同類天線[19]相比，本文設計的天線不僅實現了更高的增益，同時較大程度地降低了對太陽能電池板的遮擋率，更有效地利用太陽能。

圖7 天線在5.8 GHz時E面和H面的方向

圖8 太陽能電池板輸出功率測試

4 結束語

本文設計了一款集成于太陽能電池板的高增益微帶天線。通過對太陽能電池板等效介電常數的提取，在太陽能電池板表面設計和制作了基于Peano分形結構的微帶天線。仿真和測試表明，該天線的|S11|<-10 dB阻抗帶寬為2.78%，增益達到17.3 dBi，由于天線遮擋效應造成太陽能電池發電量下降僅為14.7%。該天線可同時實現無線通信和太陽能發電，具有廣泛的工程應用前景。

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High-gain Fractal Antenna Integrated with a Solar Cell

ZHANG Cheng-hao,CHEN Xing

(CollegeofElectronicsandInformationEngineering,SichuanUniversity,ChengduSichuan610065,China)

A novel high gain antenna fabricated on a solar cell is proposed.This antenna is able to radiate or receive electromagnetic wave while generating electric power by using the solar cell.By extracting the effective permittivity of solar cell and using the Peano fractal configuration,a high gain microstrip antenna is designed,which operates at 5.8 GHz and is integrated with a solar cell.Both the simulation and measurement results demonstrate that the shading effect of the antenna to the solar cell only leads to a drop of electricity generation of 14.7%,moreover,the antenna shows encouraging radiation performances,e.g.the antenna’s |S11|<-10 dB impedance bandwidth is 2.78%(from 5.67 GHz to 5.83 GHz),and at the operating frequency of 5.8 GHz,its gain is up to 17.3 dBi.

antenna;solar cell;fractal;high gain

2017-02-17

國家自然科學基金委員會—中國工程物理研究院聯合基金資助項目(U1230112)。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.12

張丞皓，陳 星.集成于太陽能電池板的高增益分形天線設計[J].無線電工程,2017,47(6):48-51.[ZHANG Chenghao,CHEN Xing.High-gain Fractal Antenna Integrated with a Solar Cell[J].Radio Engineering,2017,47(6):48-51.]

TN820.1

A

1003-3106(2017)06-0048-04

張丞皓 男,(1991—)，碩士研究生。主要研究方向：天線設計。

陳 星 男,(1970—)，博士，教授。主要研究方向：天線設計、并行計和電磁場數值計算。