太阳能电池与反射阵天线的一体化集成设计

郝轶楠，尹佑甲，曹晓伟，邓长江

(北京理工大学 集成电路与电子学院，北京 100081)

0 引言

在无线通信系统中，用于发射和接收电磁波的天线有着不可或缺的作用。随着科学技术的快速发展，天线应用的场景越来越多，各式各样不同种类、不同性能的天线应运而生。其中，高增益天线是天线中很重要的一个分类。与抛物面天线[1]、相控阵天线[2-4]等传统高增益天线相比，反射阵天线由于不需要复杂的馈电网络、重量轻、易于制造和成本低等优势[5-7]得到了关注。

反射阵天线包括馈源天线和反射面两部分。馈源天线辐射的球面波照射到反射面上，由不同反射单元进行相位补偿后再出射，通过计算每个单元的相位补偿以及合理排布反射单元，可以在特定方向上得到经过反射后的平面波[8]。

太阳能作为一种理想的可再生能源，近年来广泛受到人们的关注，在许多领域也已得到了成熟的应用。将太阳能电池与天线进行一体化集成的优势在于可以更加高效地利用空间资源，同时降低加工成本。文献[9-11]将太阳能电池与贴片天线集成，但太阳能电池并未被直接作为天线的一部分。文献[12]将太阳能片等效为金属片，直接作为天线的辐射贴片。文献[13-14]将太阳能片的金属层作为天线地板。除此之外，将太阳能电池与反射阵天线集成的研究也早已开始进行。文献[15]采用矩形环作为反射阵的单元结构，矩形环置于玻璃基板上，玻璃层底部为非晶硅太阳能电池与地板层。文献[16]将反射阵单元与铟砷化镓太阳能电池完全集成，底部为太阳能电池，电池上覆盖玻璃层，在玻璃顶部印刷交叉偶极子，太阳能电池底部的金属层直接作为反射阵地板。以上太阳能反射阵都是将太阳能放置在单元底部，与地板集成在一起。虽然使用了透明的玻璃基板，但顶层贴片仍会对光照产生一定的遮挡，影响太阳能电池的效率。

本文提出了一种将太阳能电池作为顶层贴片的太阳能反射阵天线，这种结构意味着太阳能电池上方没有任何遮挡，使其可以百分之百地吸收光照，实现光电转化的效率最大化。

1 太阳能电池板结构

多晶体硅太阳能电池片通常可以分为3部分：底层为覆盖整个底面的金属层，材质通常为金属铝，用作电池的负极；中间层通常为厚度200～300 μm的硅晶片，其表面附着约0.3～0.5 μm厚的P-N结；顶层为均匀分布的细银线以及1～2条较宽的母线，作为电池的正极[17]。

但由于太阳能电池片厚度很薄、易碎，而且能够选择的尺寸有限，本文选用了更加结实的滴胶太阳能电池板与反射阵天线进行集成。滴胶太阳能电池板是将太阳能电池片封装后得到的。具体封装过程为：将切割好的太阳能电池片放置在PCB板上，再用滴胶覆盖太阳能电池片将其固定住，并将电池正负极引出到PCB板背面相应的焊盘，便于用导线进行焊接。其实物如图1所示。

图1 太阳能电池板实物

在使用Ansoft HFSS软件仿真时，将太阳能电池片的结构简化为2层：底层为厚度35.71 μm的铝，顶层为厚度210.23 μm的硅[17]。在最初仿真时还在硅层上面加了厚度17.63 μm的银线，模拟太阳能电池的正电极，发现由于银线很细，对仿真结果几乎没有影响，但仿真所需要的时间极大增加，因此在之后的仿真中去掉了最顶层的银线，只用铝和硅2层介质模拟太阳能电池片。

市面上一般选用FR-4，CEM-3等PCB板作为太阳能电池板的底板，顶层的滴胶为环氧树脂材质。本文的设计中选取了一种30 mm×25 mm的太阳能电池板，其中太阳能片的尺寸为27 mm×18 mm。

用于仿真的太阳能电池板等效模型如图2所示。用尺寸为30 mm×25 mm×1 mm的FR-4材质作为底板，其介电常数为4.4，损耗角正切为0.02；在底板顶部放置太阳能片的等效模型，即下层为厚度35.71 μm的铝，上层为厚度210.23 μm的硅，整体尺寸为27 mm×18 mm；在太阳能片顶部覆盖一层厚度为1.5 mm的环氧树脂层，其介电常数为3.6。最后在底板底部按照实际结构画出正负电极的形状，设置为理想导体。

图2 太阳能电池板结构示意

2 反射阵单元设计

2.1 单元结构设计

反射单元结构示意图如图3所示。本文设计的反射阵单元分为3层结构，最顶层是太阳能板，其中作为太阳能片负极的铝板同时被用作反射阵单元的辐射贴片。中间层是厚度1 mm、介电常数为2.65的F4B基板。在F4B基板顶面刻蚀出相位延迟线，其结构如图4所示，由一个方形环与加载的3条开路枝节组成，其中中心枝节的长度略长于两侧枝节。单元的最底层是金属地板。相邻的2层之间都为空气层，上下2层空气层的厚度分别为H1，H2。反射阵单元的具体尺寸如表1所示。

图3 反射单元结构示意

图4 单元相位延迟线结构示意

表1 单元结构参数

所设计的反射阵单元尺寸为46 mm×46 mm，即0.4λ0×0.4λ0。亚波长单元结构的设计有利于让单元相位特性曲线更加平缓[18]，从而在组阵之后减小相位误差带来的影响，提升天线性能。

2.2 单元尺寸优化

在Ansoft HFSS软件中利用主从边界法分析无限周期结构中的反射阵单元。仿真结果表明，2层空气层的厚度以及加载开路枝节的数量、间距都对单元反射相位有一定的影响。接下来通过调整一系列参数，对反射阵单元结构进行优化。

2.2.1 两侧枝节对单元性能影响

首先探究开路枝节数量造成的影响。只加载一个开路枝节与加载3个开路枝节时，在2.6 GHz处单元的反射相位随枝节长度a的变化，如图5所示。从仿真结果可以看出，只加载一个开路枝节时，在中心枝节长度a在12～30 mm变化过程中，单元反射相位从-40°变化为-281°，仅实现了241°的相位跨度，远远达不到所需要的360°相位调控范围。而在中心枝节两侧再添加2个长度为中心枝节的2/3的寄生枝节后，单元反射相位的跨度得到了明显的改善，从-31°变化为-395°，获得了364°的相位跨度，满足了组阵需求。

图5 枝节数量与单元相移关系

其次探讨两侧枝节长度的选取。将两侧枝节长度与中心枝节长度之比设为l，l为不同值时单元反射相位随中心枝节长度a的变化如图6所示。随着l的增大，单元反射相位跨度随之增加。在l=1时，由于出现谐振点，反射相位随枝节长度a不再是线性变化，因此经过对比，最终选择l=4/5的结构。

图6 两侧与中心枝节长度之比与单元相移关系

2.2.2 空气层厚度对单元性能的影响

在设计反射阵单元时，除了需要考察反射相位的调控范围，还应关注不同频率下相移曲线的平行度。为了提高反射阵增益的稳定性，需要在尽可能宽的频带范围内获得相互平行的单元反射相位曲线[19]。经过仿真发现，空气层厚度对于相移曲线的平行度影响较大。

不同空气层厚度下不同频率的单元相移曲线如图7所示，H1与H2分别为上下2层空气层的厚度。当H1，H2的取值不合适时，反射阵单元在不同频率处的相位曲线不相平行，意味着天线只能工作在很窄的带宽。经过仿真优化，最终确定H1=H2=7 mm，此时单元在2.42，2.6和2.78 GHz三个频点的反射相位曲线基本平行，有利于提升在一定带宽范围内阵列增益的稳定性。

(a) H1=3 mm,H2=7 mm

2.3 最终单元仿真结果

经过一系列仿真优化，最终确定了反射阵单元的结构与尺寸。对于反射阵天线，单元的损耗会对阵列的效率造成影响。损耗一般来源于金属损耗、介质损耗以及表面波损耗，其中前2种损耗造成的影响占比更大[20]。在本文的设计中，由于太阳能电池板的存在，额外的介质损耗是不可避免的。0°，10°入射时不同枝节长度下单元的反射系数曲线如图8所示。由图8可以看出，0°入射时，该单元在不同尺寸下的损耗均较小，反射性能良好；10°入射时，单元损耗增大，但也在接受范围内。

(a) 0°入射

不同入射角度下单元反射相位随单元尺寸变化的曲线如图9所示。在0°入射、10°入射与20°入射情况下，单元相移曲线基本重合，最大相位差为27°，可以最大限度地减小处在阵列中不同位置的单元接收到的电磁波入射角度不同造成的影响。且该单元在不同入射角度下都实现了约540°的相位跨度。

图9 不同入射角度下单元相移曲线

3 反射阵列设计

基于以上单元结构，设计了口径尺寸为690 mm×690 mm的反射阵列，阵列模型如图10所示，阵列由15×15个单元组成，反射阵面位于x-y平面，阵面中心位于原点。选用15 dB标准增益喇叭作为反射阵的馈源。馈源的方向如图11所示，E面和H面方向图具有良好的对称性，其-10 dB 波束宽度为46°。由于馈源尺寸相对于反射阵面较大，为了避免馈源遮挡对反射波束的影响，采用10°斜入射对反射阵进行馈电。入射波束位于x-z平面，与反射阵法向成10°夹角。设计反射阵的波束指向为阵面的法向，即θ= 0°，φ= 0°。

图10 反射阵天线模型

图11 馈源仿真方向图

焦径比的选取需要通过仿真来确定。相同参考相位下，焦径比为1.0和1.2时，增益都为21.8 dBi。经过仿真优化，最终确定焦径比F/D=1.1，此时阵列可获得最大增益，为22.5 dBi。不同焦径比下反射阵的E面方向图如图12所示。

图12 不同焦径比下反射阵仿真方向

确定阵面尺寸及焦径比后，使用Matlab编程计算出各个反射单元所需要的相位补偿，如图13所示，再计算出每个相位对应的单元尺寸，对反射阵列进行建模。

图13 补偿相位分布

在15×15反射阵天线设计完成后，利用Ansoft HFSS软件对阵列进行仿真。得到的反射阵列天线的E面和H面方向图如图14所示。

图14 阵列天线仿真方向图

由图14可以看出，设计的反射阵天线实现了主波束辐射方向为θ=0°，φ=0°。在2.6 GHz处，增益为22.5 dBi，副瓣电平为-15 dB。该天线的口径效率为39.5%。由于单元尺寸小于半波长，互耦效应也对阵列仿真结果产生了一定影响。

4 结束语

本文提出了一种太阳能反射阵，利用太阳能电池内部的金属层直接作为反射单元的辐射贴片，将太阳能板置于反射阵上方，同时实现了太阳能电池的最大光电转化效率与反射阵天线的功能。反射阵工作在2.6 GHz处，在电磁波10°入射的情况下可实现0°出射的效果，最大增益为22.5 dBi。考虑到实际加工的便利性，选用了封装好的滴胶太阳能板而非易碎的太阳能电池片，因此太阳能板较为复杂的结构不可避免地对反射阵天线的性能产生了一定的影响。将太阳能电池与天线集成有效地节约了空间资源，有利于系统的小型化发展，是未来光伏天线的一种研究趋势。