一款小型化2.45 GHz整流天線的設(shè)計(jì)

和歷陽(yáng)，嚴(yán)安，李勛勇，劉長(zhǎng)軍

四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064

微波無(wú)線能量傳輸（microwave wireless power transmission, MWPT）是微波工程應(yīng)用的一個(gè)重要研究方向[1-4]。典型的MWPT系統(tǒng)由微波源、發(fā)射和接收天線、整流電路、負(fù)載等組成。接收天線和整流電路合稱整流天線。整流天線一直是MWPT系統(tǒng)中的研究重點(diǎn)。

常規(guī)的MWPT系統(tǒng)的天線與整流電路通常是分立的[5]。實(shí)現(xiàn)小型化和提高整流效率一直是整流天線研究的目標(biāo)。近年來(lái)微波整流天線研究也有很多進(jìn)展，比如：在偶極子天線饋電端直接集成整流電路，減小整流天線尺寸[6-7]；基于諧波回收理論，提高整流天線效率[8]。

本文利用空氣層提高貼片天線帶寬，將整流電路設(shè)計(jì)在空氣層內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了整流天線的小型化。

1 整流天線設(shè)計(jì)

整流電路通常由輸入和輸出濾波器、匹配電路、二極管等組成。本文的整流天線利用貼片天線的阻抗分布直接與二極管匹配，同時(shí)將整流電路集成在天線空氣層內(nèi)。該設(shè)計(jì)提高了天線對(duì)二次諧波的抑制功能，省去了整流電路輸入端的濾波器，在整流天線輸出端加入高阻抗線代替了輸出端的濾波器。

1.1 天線

通常貼片天線阻抗帶寬較窄，不利于整流天線的工程實(shí)現(xiàn)，因此加入空氣層拓展天線的帶寬。天線尺寸如表1所示。該天線采用F4B介質(zhì)板（εr=2.65，厚度1 mm）進(jìn)行加工，空氣層厚度5 mm。天線電壓反射系數(shù)|S11|如圖1所示，在中心頻率2.45 GHz處，|S11|達(dá)到-23 dB。天線的-10 dB帶寬為2.38～2.52 GHz。與采用相同介質(zhì)板但沒有空氣層的貼片天線相比，-10 dB處相對(duì)帶寬從1.7%增加到5.7%。

表1 天線參數(shù) mm

圖1 天線|S11|實(shí)測(cè)

1.2 整流天線

通過(guò)全波仿真得到貼片天線阻抗隨位置的分布情況[9]，將貼片中心設(shè)置在坐標(biāo)軸的原點(diǎn)（由于對(duì)稱性，只需要仿真x＞0和y＞0的區(qū)域）。阻抗分布如表2所示。

表2 貼片天線阻抗分布 Ω

肖特基二極管廣泛用于微波整流電路中。綜合考慮工作頻率和轉(zhuǎn)換效率，本文選取HSMS-282C作為整流二極管，具體參數(shù)為：反向擊穿電壓Vbr=15 V，結(jié)電容Cj0=0.7 pF，串聯(lián)電阻Rs=6 Ω。

在ADS軟件中，將貼片天線等效為內(nèi)阻為Zs的信號(hào)源，與肖特基二極管整流電路連接如圖2所示。

圖2 整流天線仿真原理

其中λg/8終端短路微帶線匹配二極管容性虛部，同時(shí)起到回收二次諧波的作用[10]。根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)置λg/8微帶線特征阻抗為60 Ω，調(diào)節(jié)整流電路輸入阻抗Zin接近 50 Ω，|S11|達(dá)到-21 dB，根據(jù)表2選取貼片天線匹配的位置。

采用同樣的F4B介質(zhì)板制作λg/8微帶線滑塊，如圖3所示。

在空氣層中插入微帶線滑塊會(huì)略微影響貼片天線的諧振頻率，通過(guò)調(diào)整貼片尺寸進(jìn)行補(bǔ)償。圖4展示了調(diào)整貼片尺寸后天線實(shí)測(cè)|S11|、E面和H面方向圖。從圖中可以看到，天線|S11|在2.45 GHz達(dá)到-20.5 dB，在4.9 GHz為-2 dB。加入滑塊結(jié)構(gòu)后，天線對(duì)二次諧波的抑制性能得到提升。

圖4 天線測(cè)量

整流天線實(shí)物如圖5所示，尺寸如表3所示。將二極管插入圖中所示位置，二極管引腳一端連接天線輻射貼片，另一端連接微帶線滑塊。將微帶線滑塊集成在空氣層中改善了天線對(duì)二次諧波的抑制性能，省去了輸入端濾波器。在輸出端，高阻抗線替代了輸出直流濾波器。

圖5 整流天線結(jié)構(gòu)

表3 整流天線尺寸 mm

2 測(cè)量結(jié)果與分析

2.1 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)如圖6所示。采用Analog Devices公司的HMC-T2220型號(hào)信號(hào)源、固態(tài)放大器、15 dB標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線和功率計(jì)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試距離是3 m。首先用功率計(jì)測(cè)量整流天線接收功率，然后將整流天線連接負(fù)載，測(cè)量輸出直流電壓。貼片整流天線的整流效率為：

式中：Pin是整流天線接收功率；Vout是直流輸出電壓；Rload是直流負(fù)載。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)

2.2 測(cè)試結(jié)果

圖7展示了整流天線在20 dBm輸入功率下，滑塊在3個(gè)不同位置下的輸出直流電壓和整流效率隨負(fù)載變化曲線。從圖中可以看到，隨著微帶線滑塊的移動(dòng)，整流效率不同。當(dāng)滑塊在mspace=17 mm時(shí)，整流效果最好。

圖7 微帶線滑塊在不同位置的測(cè)量結(jié)果

圖8給出了微帶線滑塊在mspace=17 mm位置時(shí)，不同輸入功率下的輸出電壓和整流效率隨負(fù)載的變化曲線。

圖8 不同輸入功率下的測(cè)量結(jié)果

從圖中可以看到，當(dāng)輸入功率增加時(shí)，輸出電壓和功率均在上升。當(dāng)輸入功率在17～20 dBm，負(fù)載在100～400 Ω時(shí)，該整流天線均獲得了高于60%的整流效率。在輸入功率為20 dBm，負(fù)載在100 ～260 Ω時(shí)，該整流天線均獲得了高于70%的整流效率，最高整流效率達(dá)到了72.4%，此時(shí)的輸入功率為20 dBm，負(fù)載為140 Ω。表4展示了本文設(shè)計(jì)與文獻(xiàn)中的2.45 GHz整流天線的尺寸和整流效率對(duì)比。從表中可以看到，本文工作與文獻(xiàn)[11]相比，整流天線尺寸減小，效率提升；與文獻(xiàn)[12]相比，整流天線整體尺寸有所增加，但是整流效率提高了3.1%；與文獻(xiàn)[13]相比，最高整流效率接近，但是尺寸僅為11%。

表4 整流天線對(duì)比

3 結(jié)論

本文提出了一款結(jié)構(gòu)新穎的整流天線，將整流電路集成在貼片天線空氣層中。該整流天線采用HSMS-282C肖特基二極管，在2.45 GHz、輸入功率為20 dBm和140 Ω負(fù)載的條件下，整流電路達(dá)到72.4%的整流效率。

1)該整流天線根據(jù)天線阻抗特性與二極管阻抗特性直接進(jìn)行匹配，改變了傳統(tǒng)整流天線采用的天線與電路分立設(shè)計(jì)的方式，簡(jiǎn)化了整流天線設(shè)計(jì)；

2)將整流電路集成在貼片天線空氣層中，實(shí)現(xiàn)了整流天線的小型化；

3)該款整流天線利用λg/8終端短路微帶線結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧波回收，提升了整流天線的效率。

本文設(shè)計(jì)的整流天線具有小型化、匹配電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度低、高整流效率、低加工成本等優(yōu)勢(shì)，可以應(yīng)用到微波無(wú)線能量傳輸工程系統(tǒng)中，在未來(lái)的工作中還需要研究減小天線厚度的方法。