1-1無線功率傳輸.doc

＊ 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simulation (HFSS)Ansoft公司。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。 一、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 convert 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 convert to DC)。WPT最早是在十九世紀末Nicola Tesla的放電感應實驗開始的，接下來其基本概念就被應用於無人直升機(圖1-2)的無線功率傳輸上，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rectenna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 Glaser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Patch Antenna圖1-3之(a)作為研究開始，進而在饋入點處挖1/4λ的槽孔(Slot)圖1-3之(b)，使其縮小面積，再而加入Short圖1-3之(c)更使體積縮小大約為Patch Antenna之1/4λ，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，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佳整流效率。 (a) (b) (c) (d) 圖1-3 各類型天線 二、整流天線 Rectenna (Rectify Antenna)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。 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1~4W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