跟着物联网技能的迅速发展和日益老练，超低功耗的无线传感器已成为物联网的重要组成单元。无线传感器网络经过将很多的传感器节点布置在监测区域内，运用无线电通讯办法构成一个多跳的具有动态拓扑结构的自组织网络体系，现在已得到了广泛运用。可是选用传统供电形式的传感器节点一旦电池耗尽需求从头替换电池，假如传感器节点很多散布，人工替换电池所需的作业将不容忽视。跟着超低功耗芯片技能的越发老练，搜集周围环境中的无线射频能量供给电能成为一种有用可行的新式能源供应形式。近年来，跟着通讯技能的迅速发展，环境中充满着很多的无线电波信号，首要包含移动电话(GSM) 频段和工业通讯(ISM) 频段。未来的很长一段时间内，多种通讯网络共存，也为射频能量搜集体系供给了丰厚的射频资源。
无线能量搜集技能最重要的部分是接纳天线的剖析规划，也是国内外相关专家学者重视的热门。微带天线具有低成本，轻分量，易于共形等许多长处，被广泛的运用于各种通讯体系中。但微带天线因为频带较窄又约束了它的实践运用，添加寄生单元或许具有不同形状缝隙的矩形贴片元可以战胜微带天线的窄频带特性; 现在在高频段上，国内外对缝隙天线进行了很多的研讨报导。根本结构的缝隙天线功能杰出，可是也存在阻抗带宽窄、只能单频作业等固有缺点。因而多频/宽带化技能成为缝隙天线研讨的一个热门。文献“作业于2.4GHz /5.2GHz 双频段微带缝隙天线的规划”在缝隙天线的基础上经过再加载两个倒u 型槽，完成了2.4/5.2 GHz的双频作业的特性; 文献“新式小型化双频缝隙微带天线的规划”在接地板上开了一个F 型的槽并用微带线馈电，经过调理槽的首要尺度使天线作业在2.4 / 5.8 GHz频段。文献“一种带宽圆形缝隙天线的规划”选用叉子型微带线馈电并在接地板开了一个圆形缝隙天线，经过调整微带线终端和缝隙中心的相对方位以及圆形缝隙的半径来取得最佳匹配，天线作业在2 GHz时，频带到达了32.5%。可是因为5 GHz频段在周围环境中的信号功率谱密度较低，因而这些天线规划并不适宜用于环境无线能量搜集。
经过对以上文献的剖析研讨，文中提出一种适用于无线能量搜集的小型双频微带馈电缝隙天线。该天线依据叉子型微带馈电缝隙结构，选用电抗加载法，即经过加载微带枝节和槽完成双频段作业特性，以进步天线的作业带宽，在确保功能的一起战胜了微带缝隙天线窄带宽的缺点。并经过仿真剖析取得了该缝隙天线作业频率随缝隙尺度改动的一般规则。
1 缝隙天线结构原理
依据微带天线结构，运用电抗加载的办法可以完成双频作业，此刻双频比可以调理得较挨近。依据空腔模型理论，薄基片的微带天线在模谐振频率邻近的输入阻抗Zin，可等效为
式中，Xr为该模并联谐振等效电路的“谐振”电抗，Xf为其他模的组成效应。其谐振频率的特征方程为Xr + Xf = 0，若用一个电抗XL对微带天线进行加载，则上述特征方程变为
调理XL的值，可以取得两个零点，完成双频作业。
图1 是改善后的天线结构，该天线顶部是一个左右不对称的分支型微带线。分支型馈电的长处是该馈电办法可以取得较宽的带宽而且使天线在很宽的频率规模内到达很好的阻抗匹配。在本规划中，在接地板开了两个矩形缝隙，经过调整微带线分支和缝隙的相对方位以及矩形缝隙的巨细来取得最佳匹配。
图1 天线的几许模型
为了完成接口的阻抗匹配，分支型微带线主臂的特性阻抗为50 Ω，侧臂的特性阻抗为100 Ω，依据经历式( 3) 、式( 4) 可以计算出微带线的宽度。
其间等效介电常数为
由此算出50 Ω 的微带馈线对应的宽度为3.0 mm， 100 Ω微带线对应的宽度为1.4 mm。天线的底部接地板上刻蚀了两个矩形缝隙，这样相当于引入了两个电抗元素，产生了两个谐振点。天线运用FR – 4 作为介质基板，基板的厚度为1.6 mm，相对介电常数为4.2，损耗角正切为TanD = 0.0003。接地板的尺度为50 mm × 50 mm。因为缝隙所在地面的边缘存在较强的绕射场，所以挑选适宜的介质基片巨细，可以取得较好的远场方向图。馈电点在宽边的中心，p1和p2为差分输入端口。
2 参数规划与优化剖析
为了进一步探究天线的各个几许参数对天线回波损耗的影响，得到适宜GSM 1900 MHz和ISM 2.4 GHz频段的作业特性，运用ADS 全波电磁场仿真东西对天线进行参数剖析和优化。天线的各物理尺度参数如图2 所示。
经过开始的仿真，天线的回波损耗对两个矩形缝隙的长度L1、L2和宽度W3、W4的改动比较灵敏，因而选取以上4 个参数对它们进行参数剖析。每个参数选取一个初始值，当一个参数改动时，其他参数坚持不变。各参数的初始值如表1 所示。
图2 缝隙天线的规划参数暗示
图3 给出了小缝隙长度L1对天线回波损耗的影响，L1尺度选取从22.9 mm处以1 mm添加，其他首要参数坚持不变，仿真成果可以发现在低频段处L1越大，谐振点右移，当L1 = 23.9 mm时，回波损耗最小; 在高频段处跟着L1增大，谐振频率点左移，回波损耗减小但带宽也随之减小。
图4 给出了大缝隙长度L2对天线回波损耗的影响，L2从41.6 mm处以每1 mm添加，其他各参数坚持不变。从图中可以看出在低频段处L2越小，回波损耗越大，带宽也相应的添加。谐振点根本坚持不变; 在高频段处L2越大，谐振点向左移动，回波损耗越小，天线阻抗越来越不匹配。
图5 给出了小缝隙宽度W3对天线回波损耗的影响，W3的巨细从10.6 mm处以每1 mm添加，其他各参数坚持不变。仿真成果显现W3对低频段的影响简直很小; 在高频段处当W3增大时，谐振频率左移，回波损耗和带宽坚持不变。
图6 为大缝隙宽度W4对天线回波损耗的影响，W4尺度从14.1 mm处以每1 mm添加，其他各参数均坚持不变。从图中可以看出低频段处W4越大，谐振频率略向右移，回波损耗越来越大，天线的匹配越好，带宽也相应的增大。在高频段处规则同低频段相同。经过仿真成果发现，调理缝隙的尺度可以改动两个谐振频率的间隔。再依据对频段的规划要求终究选定的缝隙尺度的巨细分别为L1 = 23.9 mm，L2 = 41.6 mm，W3 =12. 6 mm，W4 = 18.1 mm。终究得到了最佳的天线尺度参数，如表2 所示。
图3 谐振频率随L1改动
图4 谐振频率随L2改动
图5 谐振频率随W3改动
图6 谐振频率随W4改动
天线在谐振频率1.9 GHz 和2.4 GHz 两处的增益方向图如图7 和图8 所示。从图中可以看出该缝隙天线的辐射是双向性的，缝隙上、下方的辐射场最强，辐射强度根本相同。天线的谐振频率为1.9 GHz时，在XOZ 面上的最大增益为1.4 dBi; 天线谐振频为2.4 GHz 时，在XOZ 面上最大增益为2.9 dBi。天线的方向图具有必定的方向性，可是天线的增益并不高，因而这种天线可以作为全向天线来运用，适用于接纳周围的射频无线能量。
图7 XOZ 面上的天线的增益( f = 1.9 GHz)
图8 XOZ 面上的天线的增益( f = 2.4 GHz)
3 测验成果
依据上一节的参数剖析和优化成果，运用FR4双面PCB 板加工制造了该天线，并经过Agilent 矢量网络剖析仪对天线进行了测验，天线的什物图如图9所示。
图9 天线什物的正面图和不和
图10 给出了天线的输入回波损耗仿真和实测曲线，从仿真图中可以看出，天线的中心谐振点分别为f1 = 1.9 GHz，f2 = 2.4 GHz。当回波损耗S11 – 10 dB时，天线在低频段的作业频率规模为1.82～ 1.96 GHz，带宽到达了140 MHz，天线在高频段的频率规模为2.34 ～ 2.45 GHz，带宽挨近110 MHz。天线在谐振点处的回波损耗分别是- 40 dB 和- 20 dB，标明该天线匹配较好。实测得到的成果与仿真成果根本相同，低频段处谐振频段向右偏移约为1.92 GHz，高频段处谐振点略向左偏移，两谐振点处的回波损耗均有所减小。形成差错的原因包含加工天线过程中尺度的细小差错，SMA 接头处焊接不良、接口处有能量损耗，环境搅扰等要素。
图10 回波损耗测验成果
4 结语
文中提出了一种缝隙加载结合双线馈电的多频段天线办法，规划了一种适用于环境无线能量接纳的新式小尺度双频微带缝隙天线。经过Agilent 公司的ADS 对其仿真并进行了优化剖析，完成了天线分别在1.9 GHz和2.4 GHz双频作业。在低频端带宽为140 MHz，相对带宽约为7.4%，在高频端带宽110 MHz，相对带宽约为4.6%。该射频能量接纳天线可以习惯GSM 和ISM 两个频段，尺度小，制造成本低，具有较强的实用性和杰出的运用远景。
