2.45 GHz 緊湊型微帶整流天線陣列

李金城，林航，劉長軍

四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064

隨著不可再生能源的日益減少，可再生清潔能源的獲取問題亟待解決?？臻g太陽能電站[1](solar space power satellite, SSPS)的發(fā)展，為解決該問題提供了一個思路，具有良好的發(fā)展與應(yīng)用前景[2-4]。微波無線能量傳輸技術(shù)是SSPS 中的一項關(guān)鍵技術(shù)[5-6]。該技術(shù)是指能量以微波為載體在空間中傳輸，具有衰減小、傳輸效率高、對天氣變化適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。

整流天線通常采用肖特基二極管作為核心整流器件。文獻(xiàn)[7]中提出一款新型的小型化整流天線縮小天線尺寸，最高整流效率達(dá)到69.3%，最大輸出直流功率為0.18 W。文獻(xiàn)[8]提出一款小型化微帶整流天線，縮減了整流天線的尺寸，最高整流效率可達(dá)72.4%，最大直流輸出為0.07 W。功率容量與輸出直流功率大小作為整流天線的重要指標(biāo)，在不增大整流天線尺寸的前提下，如何提升整流天線的功率容量及輸出直流功率，成為當(dāng)下的一個研究熱點(diǎn)。

本文設(shè)計了一款最大輸出直流功率0.93 W的整流電路，并實現(xiàn)了一款可輸出14 W 直流功率的整流天線陣列，提升了整流天線的輸出功率。該天線陣列具有易集成、易加工等特點(diǎn)，可用于S 波段微波無線輸能系統(tǒng)中。

1 整流天線陣列

微波無線能量傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。整流天線作為微波無線能量傳輸技術(shù)中的關(guān)鍵部位，包括接收天線和整流電路2 部分。Deschamps[9]在1953 年提出了微帶天線，具有結(jié)構(gòu)簡單、便于加工制作、易于阻抗匹配等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于微波通信與測量領(lǐng)域中。輻射貼片可以是矩形、圓形或者三角形等。本文選用矩形微帶貼片天線進(jìn)行設(shè)計制作。

圖1 微波無線能量傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 接收天線的設(shè)計

微帶天線通常使用傳輸模式進(jìn)行近似計算與設(shè)計。假定電場沿天線寬邊W方向無變化，且天線的輻射是寬邊的邊沿。將天線等效為槽阻抗與傳輸線級聯(lián)，則矩形天線的輸入導(dǎo)納為

文中矩形貼片天線設(shè)計采用FR4 雙面敷銅介質(zhì)板作為介質(zhì)基板，其主要參數(shù)如表1 所示。

表1 FR-4 介質(zhì)板主要參數(shù)

由式(1)～(4)計算可得天線的尺寸。將所得數(shù)據(jù)帶入HFSS 軟件中進(jìn)行仿真優(yōu)化，最終接收天線結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，其中：W=46 mm，L=28 mm，W1=1 mm，L1=7.5 mm，W0=3.8 mm，饋電端口W0阻抗為50 Ω。圖2(b)為矩形天線S參數(shù)的仿真結(jié)果，天線的3dB帶寬為2.42~2.48GHz。

圖2 接收天線仿真結(jié)果

1.2 整流電路設(shè)計

肖特基二極管具有截止頻率高、結(jié)電阻低和結(jié)電容小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微波電路。本電路采用Avago 公司的HSMS-2700 系列二級管，其主要參數(shù)如表2 所示。

表2 HSMS2700 肖特基二極管部分參數(shù)

本文設(shè)計了由HSMS-2700 肖特基二極管構(gòu)成的倍壓整流電路，將貼片天線等效為阻抗為50 Ω的微波信號源。

輸出低通濾波器的作用是為了抑制基波和二極管產(chǎn)生的高次諧波的通過。為了使電路更緊湊，降低貼片元器件帶來的損耗影響，本文采用蛇形微帶線來進(jìn)行輸出濾波器的設(shè)計。蛇形微帶線寬0.2 mm，對基波及高次諧波呈高阻抗性，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 蛇形線濾波器結(jié)構(gòu)示意

整流電路實物圖如圖4 所示。其中A部分為整流電路的輸入帶通濾波器部分，由0.7 pF 村田電容及匹配枝節(jié)線構(gòu)成；B部分為整流部分，由匹配支節(jié)線及2 只二極管組成，2 只二極管組成倍壓整流電路來增大電路的功率容量；C部分為輸出低通濾波器部分，由一段匹配支節(jié)線及一段高阻抗的蛇形細(xì)線組成。

圖4 整流電路實物

最終該電路的測試結(jié)果如圖5 所示。當(dāng)輸入功率在28～32 dBm 時，整流電路的整流效率高于50%；并且當(dāng) 輸入功率為32 dBm 時，整流效率最大，可達(dá)57%。當(dāng)輸入功率在31～34 dBm 時，該電路的輸出直流功率均高于0.7 W，并且當(dāng)輸入功率為33 dBm時，該電路輸出的直流功率最大，為0.93 W。電路在輸入功率為32 dBm 時，整流效率最高，輸出直流功率為0.91 W；當(dāng)輸入功率高于32 dBm，整流效率大幅減小。二極管工作在過飽和狀態(tài)，二極管損耗逐漸增加，直流輸出功率飽和后迅速下降。

圖5 整流電路實測效率及輸出功率曲線

1.3 整流天線陣列

整流天線能夠接收到的功率密度為

式中：Pt為發(fā)射功率；Gt為發(fā)射天線增益；d為發(fā)射天線與接收天線之間的距離[11]。

整流天線的效率為

式中：Pout表示直流輸出功率；Pr表示天線陣列接收到的功率；Vout為直流輸出電壓；Rload為直流負(fù)載；Arectenna-array為整流天線面積[12]。

由式(5)可知，接收天線整流效率與接收天線陣列的面積成反比，縮小天線單元的間距，減小陣列的面積，可提高天線陣列效率。

通過電磁仿真，將各天線的饋電端口交錯放置，天線間距確定為20 cm。最終加工天線陣列實物圖如圖6 所示。天線與整流電路依靠阻抗為50 Ω的微帶線連接，整流天線之間依靠蛇形微帶細(xì)線連接。天線陣由4×4 個整流天線單元組成，所有整流電路并聯(lián)輸出直流功率，面積為21.7 cm×27.5 cm。

圖6 整流天線陣列實物

2 測試與分析

測試系統(tǒng)原理圖如圖7 所示，采用Analog Devices 公司的HMC-T2220 型號信號源、固態(tài)放大器、16 dBi 標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線、萬用表及大功率負(fù)載進(jìn)行測試。微波功率源的最大輸出功率為79.9 W，分別調(diào)整微波源的輸出功率，測量整流天線陣列的直流輸出功率及整流效率。

圖7 測試系統(tǒng)原理框圖

圖8(a)為3 種發(fā)射功率下，收發(fā)天線在不同間距處天線陣列直流輸出功率的曲線圖。隨著距離的增加，直流輸出功率先增加后減小，最大可達(dá)14.03 W。圖8(b)為3 種發(fā)射功率下，天線陣列整流效率隨收發(fā)天線間距變化的曲線圖。在收發(fā)天線間距較小處，天線陣列所接收功率較大，超過電路的功率容量上限，整流效率偏低；在距離較大處，天線陣列所接收功率隨著距離的增加逐漸減少，整流效率也逐漸降低。整流天線陣列最大整流效率為47.6%

圖8 整流天線陣列實測結(jié)果

單只整流電路的直流輸出功率最大值為0.93 W，16 只整流電路的直流輸出在理想疊加的情況下，最大為14.88 W。實測得到的最大直流輸出功率值與理想疊加情況下的最大值相差5.7%，實測結(jié)果與理論基本一致。

測試系統(tǒng)的功率源輸出功率有限，本次測試中盡量滿足遠(yuǎn)場條件，為了保證整流電路工作于正常狀態(tài)，縮短收發(fā)天線的間距。近距離測試會導(dǎo)致整流天線陣列中心與四周的功率密度分布不均，造成中心功率密度大于四周功率密度的情況，從而使得實際接收到的功率小于理論計算值。同時這也會使得不同整流電路的工作狀態(tài)不同，由圖8 測試曲線可知，四周的整流電路輸出直流功率與電壓會小于中心處整流電路。當(dāng)輸出電壓不一致時，整流電路相互并聯(lián)也會降低整流天線整體效率。

表3 展示了本文設(shè)計與文獻(xiàn)中的2.45 GHz 整流天線輸出直流功率與尺寸的對比。從表中可以看出，本文的直流輸出功率較高，而整流效率略有不足。這是因為本文的設(shè)計重心主要放在了陣列的緊湊性與單位體積內(nèi)的輸出直流性能上。在功率較大的工作環(huán)境下，二極管上的微波損耗增加，且其實際參數(shù)與仿真模型相比會出現(xiàn)一定的偏差，導(dǎo)致整流天線陣列整體的效率并不突出。同時可以看出，本文整流天線單位體積的直流輸出功率與常規(guī)整流天線相比，可以提升5 倍。

表3 整流天線對比

3 結(jié)論

本文提出了一款工作在S 波段的基于肖特基二極管的整流天線陣列，可輸出最大直流功率為117.6 mW/cm3。

1）整流電路采用倍壓結(jié)構(gòu)，提高了電路的直流功率輸出。

2）采用蛇形細(xì)微帶線作為輸出濾波器，連接整流天線單元，使整流天線陣列結(jié)構(gòu)更緊湊，提升了其單位體積內(nèi)的直流輸出。

3）天線陣列厚度小，重量輕，單位體積直流輸出功率大。

本文設(shè)計的整流天線陣列具有結(jié)構(gòu)緊湊、天線陣列單位體積內(nèi)直流輸出較大等優(yōu)勢，可以有效應(yīng)用在微波無線輸能系統(tǒng)中。本文的工作尚處于初步研究階段，值得進(jìn)一步深入廣泛研究。