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 電子信息學院，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。空間太陽能電站[1](solar space power satellite, SSPS)的發展，為解決該問題提供了一個思路，具有良好的發展與應用前景[2-4]。微波無線能量傳輸技術是SSPS 中的一項關鍵技術[5-6]。該技術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、對天氣變化適應性好等優點。

整流天線通常采用肖特基二極管作為核心整流器件。文獻[7]中提出一款新型的小型化整流天線縮小天線尺寸，最高整流效率達到69.3%，最大輸出直流功率為0.18 W。文獻[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，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，成為當下的一個研究熱點。

本文設計了一款最大輸出直流功率0.93 W的整流電路，并實現了一款可輸出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，可用于S 波段微波無線輸能系統中。

1 整流天線陣列

微波無線能量傳輸系統結構如圖1 所示。整流天線作為微波無線能量傳輸技術中的關鍵部位，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，具有結構簡單、便于加工制作、易于阻抗匹配等優點，被廣泛用于微波通信與測量領域中。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行設計制作。

圖1 微波無線能量傳輸系統結構

1.1 接收天線的設計

微帶天線通常使用傳輸模式進行近似計算與設計。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，則矩形天線的輸入導納為

文中矩形貼片天線設計采用FR4 雙面敷銅介質板作為介質基板，其主要參數如表1 所示。

表1 FR-4 介質板主要參數

由式(1)～(4)計算可得天線的尺寸。將所得數據帶入HFSS 軟件中進行仿真優化，最終接收天線結構如圖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參數的仿真結果，天線的3dB帶寬為2.42~2.48GHz。

圖2 接收天線仿真結果

1.2 整流電路設計

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

表2 HSMS2700 肖特基二極管部分參數

本文設計了由HSMS-2700 肖特基二極管構成的倍壓整流電路，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行輸出濾波器的設計。蛇形微帶線寬0.2 mm，對基波及高次諧波呈高阻抗性，結構如圖3 所示。

圖3 蛇形線濾波器結構示意

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線構成；B部分為整流部分，由匹配支節線及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，由一段匹配支節線及一段高阻抗的蛇形細線組成。

圖4 整流電路實物

最終該電路的測試結果如圖5 所示。當輸入功率在28～32 dBm 時，整流電路的整流效率高于50%；并且當 輸入功率為32 dBm 時，整流效率最大，可達57%。當輸入功率在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，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為發射功率；Gt為發射天線增益；d為發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

測試系統原理圖如圖7 所示，采用Analog Devices 公司的HMC-T2220 型號信號源、固態放大器、16 dBi 標準增益喇叭天線、萬用表及大功率負載進行測試。微波功率源的最大輸出功率為79.9 W，分別調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 測試系統原理框圖

圖8(a)為3 種發射功率下，收發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14.03 W。圖8(b)為3 種發射功率下，天線陣列整流效率隨收發天線間距變化的曲線圖。在收發天線間距較小處，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%，實測結果與理論基本一致。

測試系統的功率源輸出功率有限，本次測試中盡量滿足遠場條件，為了保證整流電路工作于正常狀態，縮短收發天線的間距。近距離測試會導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。當輸出電壓不一致時，整流電路相互并聯也會降低整流天線整體效率。

表3 展示了本文設計與文獻中的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。這是因為本文的設計重心主要放在了陣列的緊湊性與單位體積內的輸出直流性能上。在功率較大的工作環境下，二極管上的微波損耗增加，且其實際參數與仿真模型相比會出現一定的偏差，導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整流天線相比，可以提升5 倍。

表3 整流天線對比

3 結論

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構，提高了電路的直流功率輸出。

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

3）天線陣列厚度小，重量輕，單位體積直流輸出功率大。

本文設計的整流天線陣列具有結構緊湊、天線陣列單位體積內直流輸出較大等優勢，可以有效應用在微波無線輸能系統中。本文的工作尚處于初步研究階段，值得進一步深入廣泛研究。