微波無線功率傳輸中高效率雙線極化整流天線設(shè)計①

張 浩，高思平，劉穗彬2,，陰 玥，郭永新*

(1.西北工業(yè)大學(xué)微電子學(xué)院，西安 710071；2.西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，西安 710071；3.新加坡國立大學(xué)電氣與計算機工程系，新加坡 119260)

0 引言

微波無線功率傳輸技術(shù)有效保障無線傳感網(wǎng)絡(luò)[1-3]穩(wěn)定、高效運行。整流天線(由整流器集成天線構(gòu)成)作為微波無線功率傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵電路，接收入射電磁波并整流輸出直流電壓，滿足無線傳感網(wǎng)絡(luò)中傳感器以及中央處理器等元器件功耗需求。通常情況下，整流天線采用具有高輻射增益天線接收線極化入射電磁波，建立高效率微波無線功率傳輸鏈路[4-6]。然而，發(fā)射/接收天線間易發(fā)生極化錯位，如圖1所示，當(dāng)極化偏轉(zhuǎn)角度(φ)逐漸增大時，越來越多入射電磁波因極化錯位而損失在自由空間中。圓極化整流天線在一定程度上可解決發(fā)射/接收天線間極化錯位問題。然而，以犧牲50%入射電磁波功率作為代價，不利于高效率微波無線功率傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)。整流器微波至直流整流過程中非線性諧波(互調(diào))產(chǎn)物[7，8]有效輔助天線輻射/極化方向?qū)?zhǔn)。然而，附加感知以及控制電路將增加微波無線功率傳輸系統(tǒng)復(fù)雜度，不利于緊湊、小型化電路實現(xiàn)。

圖1 發(fā)射/接收天線間極化錯位示意圖Fig.1 Illustration of polarization misalignment between TX/RX antennas

雙線極化整流天線[9]在一定程度上解決了發(fā)射/接收天線間極化錯位問題(圖2a所示)，其垂直(Vertically-Polarized, VP)、水平(Horizontally-Polarized, HP)極化端口分別連接相同電路結(jié)構(gòu)整流器A、B，實現(xiàn)入射電磁波全功率接收以及高效率微波至直流整流。然而，入射電磁波按照發(fā)射/接收天線間極化偏轉(zhuǎn)角在VP、HP端口功率分配(PVP、PHP)難以均衡，如公式(1)所示。

(1)

其中，入射線極化電磁波極化方向與雙線極化垂直極化方向夾角為極化偏轉(zhuǎn)角度(φ)。不難看出，當(dāng)極化偏轉(zhuǎn)角φ≠ 45°或135°時，導(dǎo)致雙線極化天線非均衡功率分配(PVP、PHP)，因此難以保證整流器A、B高效率微波至直流整流以及最大效率直流功率整合[10]。

如圖2(b)所示，雙線極化天線和整流器A、B間連接微帶正交耦合器，在雙線極化天線端口處(P1、P4)非均衡入射電磁波接收功率將被微帶正交耦合器重新分配，實現(xiàn)非均衡至均衡功率分配機制[11]，從而保證圖2(b)中整流天線A、B任意極化偏轉(zhuǎn)角度下穩(wěn)定、高效微波至直流整流以及最大效率直流功率整合。為進(jìn)一步滿足整流天線緊湊、小型化電路設(shè)計需求，本文基于圖2(b)改進(jìn)型雙線極化整流天線，采用空氣介質(zhì)加載技術(shù)實現(xiàn)緊湊、高增益雙線極化天線。理論分析與實驗結(jié)果均驗證高效率雙線極化整流天線設(shè)計，適用于高效率微波無線功率傳輸應(yīng)用中。

(a) 傳統(tǒng)型雙線極化整流天線 (b) 改進(jìn)型雙線極化整流天線圖2 常見雙線極化整流天線Fig.2 Common dual-linearly-polarized rectennas

1 工作機制與原理性分析

為實現(xiàn)本文所提出的高效率雙線極化整流天線，需著重設(shè)計高增益雙線極化天線以及高效率整流器，并集成微帶正交耦合器完成整流天線一體化的目的。本章節(jié)具體細(xì)化為三部分∶1)高增益雙線極化天線設(shè)計；2)非均衡至均衡功率分配機制分析；3)高效率整流器以及整流天線一體化設(shè)計。

1.1 高增益雙線極化天線設(shè)計

圖3所示為高增益雙線極化天線版圖結(jié)構(gòu)示意圖，由兩層印刷電路板組合設(shè)計而成，印刷電路板選用厚度20mil羅杰斯RO4350B介質(zhì)板材(介電常數(shù)為εr=3.66，損切角tanδ=0.0031)。雙線極化天線饋電網(wǎng)絡(luò)位于第二層印刷電路板背面，而接地金屬板位于空氣層與第二層印刷電路板之間。接地金屬板引入對稱雙“H”型縫隙，激勵第一層印刷電路板上層正方形金屬貼片，實現(xiàn)高增益雙線極化諧振輻射，詳細(xì)高增益雙線極化天線設(shè)計參數(shù)如表1所示。

(a) 結(jié)構(gòu)分解圖 (b) 側(cè)視圖

(c) 接地金屬板 (d) 饋電網(wǎng)絡(luò)電路圖3 常見雙線極化天線版圖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Layout structure of common dual-linearly-polarized antenna

表1 詳細(xì)高增益雙線極化天線設(shè)計參數(shù)Table 1 Detailed Parameters of High-Gain DLP Antenna Design mm

雙線極化天線端口回波損耗、耦合系數(shù)以及輻射增益如圖4所示。HP、VP端口在2.38 GHz～2.52 GHz以及2.38～2.5 GHz范圍的反射系數(shù)均小于-10dB，2.38 GHz～2.52 GHz頻率范圍內(nèi)，雙端口隔離度大于20dB。同時，HP、VP端口最大輻射增益均大于8dBi，HP、VP端口間增益差異較小，可忽略不計，有助于均衡接收線極化入射電磁波。

(a) 回波損耗、耦合系數(shù) (b) 輻射增益圖4 雙線極化天線端口回波損耗、耦合系數(shù)以及輻射增益Fig.4 Return loss, isolation and radiation gains of HP and VP ports of DLP antenna

1.2 非均衡至均衡功率分配機制分析

假設(shè)雙線極化天線與線極化電磁波入射方向垂直，極化偏轉(zhuǎn)角(φ)是入射線極化電磁波與雙線極化天線垂直極化(VP)方向夾角，如圖5a所示。

(a) 側(cè)視圖 (b) 俯視圖圖5 雙線極化天線接收線極化電磁波示意圖Fig.5 Illustration of linearly-polarized electromagnetic wave received by DLP antenna

雙線極化天線端口處電壓可以表示為

(2)

(3)

其中，Vs是假設(shè)雙線極化天線接收到總功率Pr=Vs2/Z0所對應(yīng)電壓平均值，Z0是對應(yīng)端口阻抗，一般為50歐姆。不難發(fā)現(xiàn)，隨著極化偏轉(zhuǎn)角(φ)變化，公式(2)、(3)中端口電壓非均衡電壓難以保證圖2a中整流器A、B高效率微波至直流整流以及直流功率整合。圖2b中微帶正交混合網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù)矩陣可以表示為

公式(2)、(3)中雙線極化天線端口非均衡電壓通過微帶正交混耦合器重新分配，并傳輸至混合網(wǎng)絡(luò)直通、耦合端口，相應(yīng)端口處電壓可以表示為

(5)

(6)

不難看出，無論極化偏轉(zhuǎn)角(φ)如何變化，直通、耦合端口處電壓幅值保持不變。因此，端口2、3處整流器A、B在任意極化偏轉(zhuǎn)角下，仍保持高效率微波至直流整流以及直流功率整合。

1.3 高效率整流器以及整流天線一體化設(shè)計

為滿足小型化整流器電路設(shè)計需求，文章采用集總參數(shù)元件進(jìn)行匹配并在ADS諧波平衡仿真軟件中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如圖6所示。其中，輸入匹配電路中電感(Lm)與電容(Cm)結(jié)合50歐姆傳輸線(厚度20mil羅杰斯RO4350B介質(zhì)板材)進(jìn)行共優(yōu)化，有助于實現(xiàn)與圖4所高增益雙線極化天線一體化設(shè)計。圖6(a)所示為集總參數(shù)元件設(shè)計的整流器原理圖及其版圖，為滿足高效率微波至直流功率整流，選擇具有低開啟電壓肖特基二極管HSMS2860。同時，優(yōu)化獲得匹配電路中電容Cm=1pF以及電感Lm=2.2nH滿足整流器最佳功率匹配需求，低通濾波器中電容CL=22uF以及負(fù)載電阻RL=980Ω以滿足最大直流功率輸出。通過測量不同輸入功率下負(fù)載RL兩端輸出電壓Vo，可通過如下公式計算得到整流器微波至直流整流效率。

(7)

整流器微波至直流整流效率以及輸出電壓仿真與測試結(jié)果如圖6(b)所示，仿真與測試結(jié)果具有很好一致性。在2～12dBm輸入功率范圍內(nèi)，整流器可獲得大于50%整流效率，有助于高效率微波無線功率傳輸系統(tǒng)。集成常見正交耦合器，即可實現(xiàn)高效率整流天線一體化設(shè)計。

(a) 整流電路原理圖 (b) 整流電路性能仿真、測試結(jié)果圖6 整流電路原理圖及其性能仿真、測試結(jié)果Fig.6 Schematic of rectifier and its performance simulation and measurement

2 系統(tǒng)測試與實驗驗證

為驗證本文所提出的高效率雙線極化整流天線設(shè)計，實驗設(shè)備搭建如圖7(a)所示。信號發(fā)生器AV1441A輸出20dBm功率激勵雙線極化天線垂直極化端口。雙線極化整流天線距離發(fā)射天線距離為d，在實驗過程中為了驗證不同距離作用下所提出雙線極化整流天線有效性，分別選擇距離d=30, 40, 50, 60cm，改變雙線極化整流天線極化偏轉(zhuǎn)角φ從0度至90度，角度步長為15度，并測試相應(yīng)輸出電壓值。在不同距離作用下，雙線極化整流天線輸出電壓測試結(jié)果如圖7(b)所示。不難發(fā)現(xiàn)，在任意天線極化偏轉(zhuǎn)角度下，雙線極化整流天線均可輸出穩(wěn)定直流電壓(微弱波紋可能來自于雙線極化方向非均衡天線增益)，從而驗證了本文所提出的雙線極化整流天線非極化敏感特性，適用于高效率微波無線功率傳輸中。

(a) 實驗設(shè)備搭建 (b) 測試結(jié)果圖7 實驗設(shè)備搭建以及不同距離下計劃偏轉(zhuǎn)角測試結(jié)果Fig.7 Measurement setup and measured output voltages under different distances and polarization tilt angles

3 結(jié)論

本文提出一種應(yīng)用于微波無線功率傳輸中高效率雙線極化整流天線設(shè)計。通過雙線極化天線、微帶正交耦合器以及整流器集成一體化，線極化入射電磁波按照極化偏轉(zhuǎn)角度分解為水平極化與垂直極化分量，經(jīng)由正交耦合器完成非均衡至均衡功率再分配機制，以滿足高效率微波至直流整流器均衡輸入功率需求。理論分析與實驗結(jié)果均驗證所提出緊湊高效雙線極化整流器在不同距離以及意極化偏轉(zhuǎn)角度下仍保持高效率微波至直流整流，適用于高效率微波無線功率傳輸中。