X波段超輕薄整流天線設(shè)計

趙艷 陳星

四川大學(xué)電子信息學(xué)院，四川成都 610065

0 前言

微波功率傳輸（Microwave Power Transmission，MPT）技術(shù)，即在不使用電線或電纜的情況下，通過微波束在自由空間傳輸功率，該技術(shù)近年來成為了研究的熱點。在無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，微波無線能量傳輸技術(shù)正成為射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、無線傳感器等電子設(shè)備最有前景的輸能方式之一。將從自由空間中接收到的微波功率轉(zhuǎn)換成為直流功率進行輸出的微波無線能量傳輸接收子系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。與此同時，微波無線傳能（Microwave Wireless Power Transmission，MWPT）技術(shù)已成為了研究的熱點[1-4]。因此，接收子系統(tǒng)對于微波能量傳輸系統(tǒng)效率有至關(guān)重要的影響[5-7]。

微帶天線是汽車?yán)走_和通信系統(tǒng)的一個很好的候選天線，它具有外形小、重量輕、制造簡單、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，是微波無線功率傳輸接收系統(tǒng)的理想選擇，可以滿足整流天線在實際應(yīng)用時應(yīng)具備的高口徑效率、低剖面、高增益等特性。本文介紹了一個完整而有效的設(shè)計流程，該流程針對無人機等移動目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域，提出了一種印刷在單層基板上的輕薄微帶整流天線。該天線通過在傳統(tǒng)微帶矩形貼片周圍加載寄生單元的方法來增加電流流動路徑，有效改善了傳統(tǒng)微帶天線存在的帶寬較窄的問題。天線制作于厚度僅0.254 mm（0.008λ0）的F4B-2介質(zhì)基板（εr=2.65）上，并對該天線單元進行4×4組陣設(shè)計，最終設(shè)計出一款以10 GHz為中心頻點，相對帶寬為4.8%的陣列天線。整流電路制作于厚度為0.254 mm的羅杰斯RT5880介質(zhì)基板上，為節(jié)省SMA接頭等微波插件的使用，在天線金屬地背面通過金屬化過孔將整流電路直接集成上去，較大程度上減輕了天線的重量，適用于對于載重具有嚴(yán)苛要求的無人機等移動目標(biāo)實際應(yīng)用場景中。

1 接收天線結(jié)構(gòu)設(shè)計與測試

1.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)微帶天線存在帶寬較窄的缺點，不利于整流天線的實際工程應(yīng)用。為克服傳統(tǒng)微帶天線帶寬狹窄的難題，本次設(shè)計在天線單元主輻射貼片周圍排布了8個大小不同的寄生單元，增加電流流動路徑，減小天線尺寸，增加天線諧振點以達到展寬帶寬的目的。4×4組陣設(shè)計后的天線陣列結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該天線陣列制作于F4B-2介質(zhì)基板上（εr=2.65，h=0.254 mm），天線陣列整體結(jié)構(gòu)具體尺寸參數(shù)如表1所示，天線的│S11│和│S21│仿真特性曲線如圖2所示。結(jié)果表明，天線│S11│＜-10 dB阻抗帶寬達到4.8%，并且在10 GHz處，天線極化隔離度達到-24 dB。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù) （單位：mm）

1.2 天線性能測試

圖3、圖4分別是加工制作的天線陣列樣品及│S11│和│S21│仿真實測特性曲線對比圖。測試表明，陣列天線端口實測在9.82 GHz～10.3 GHz頻段，相對帶寬為4.8%以上，天線的中心頻點位于10 GHz處，實測S參數(shù)與仿真結(jié)果基本一致。天線在頻點10 GHz處的實測極化隔離度為-24 dB，與傳統(tǒng)的微帶天線相比較而言，該天線具有寬帶特性，且天線結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的工程實用性。

當(dāng)天線陣列只饋電其中一個單元，其他的端口接50 Ω負(fù)載時，在10 GHz頻點處的實測方向圖如圖5所示。結(jié)果表明，天線方向圖最大增益為10.2 dBi，天線實測增益值同仿真基本一致，天線的口徑效率為81.2%。

2 整流電路分析

自20世紀(jì)60年代為解決全球能源危機而提出太陽能衛(wèi)星計劃以來，微波功率傳輸技術(shù)得到了發(fā)展。整流天線用于將微波功率轉(zhuǎn)換為直流功率，是MPT系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。其中，整流電路一般由一個整流二極管、一個輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)、一個帶通或低通濾波器和一個直流通濾波器組成。整流電路的設(shè)計主要是依靠二極管的單向單通特性來實現(xiàn)從交流到直流的轉(zhuǎn)換[8-10]，本次涉及的10 GHz整流電路主要運用于中高功率輸能，故選用的整流二極管型號為MA4E1317，10 GHz整流電路如圖6所示。ADS仿真設(shè)計結(jié)果表明，當(dāng)整流天線接收到18 dBm時，整流電路的整流效率最高可達到70%。

3 整流天線測試與分析

整流電路和接收天線合稱為整流天線，天線制作于0.254 mm厚度的F4B-2介質(zhì)基板上，采用同軸饋電實現(xiàn)線極化特性。整流電路制作于厚度為0.254 mm的羅杰斯RT5880介質(zhì)基板上，并通過金屬化過孔直接集成在接收天線的介質(zhì)基板背面，最大限度降低電路對整流天線的影響。圖7所示是整流天線加工實物圖，為了合理地排布天線背面的整流電路，在實際加工時對整流電路的介質(zhì)基板進行了部分削減。

該整流天線工作于10 GHz，在實際測試時，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射喇叭天線與待測的整流天線間距為R，在實測時，要求R大于待測天線的遠場距離。已知遠場距離計算公式為：

其中，Rf為接收天線與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射天線的遠場距離；D為標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線的口徑尺寸；λ為在10 GHz頻點處的波長。

計算得出，該喇叭天線遠場距離為0.2 m，在微波暗室中將整流天線置于1 m的輻射場區(qū)進行測試。然后對微波源進行頻率以及輸出功率設(shè)置，對功率計進行校準(zhǔn)并設(shè)置偏置，功率計實時監(jiān)測微波源的輸出功率Pt。已知整流天線的接收功率及直流轉(zhuǎn)換效率公式為：

其中，Pr為整流天線的接收功率；Pt為微波信號源的輸出功率；Gt為標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線的增益；Gr為接收天線的增益；R是標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射喇叭天線與待測整流天線間距。

其中，η為整流天線的直流轉(zhuǎn)換效率；PDC為經(jīng)過整流后的直流功率；PD為微波信號源的輸出功率。

整流天線轉(zhuǎn)換效率測試結(jié)果如圖8所示，測試結(jié)果表明，當(dāng)整流天線最佳匹配負(fù)載為900 Ω，并且整流天線接收到16 dBm功率時，直流轉(zhuǎn)換效率為62%。

4 結(jié)束語

本文針對無人機等應(yīng)用領(lǐng)域的整流天線進行設(shè)計及研究，設(shè)計了一款4×4的輕薄微帶天線陣列，加工并實測了其性能，結(jié)果表明，該天線具有良好的反射系數(shù)以及方向圖。實測的端口的│S11│工作頻段都包含9.82 GHz～10.3 GHz，相對帶寬都在4.8%以上，天線中心頻點位于10 GHz處，方向圖測試同仿真結(jié)果基本一致。整流電路通過金屬化過孔直接集成于天線介質(zhì)基板背面，大幅度減輕了天線的質(zhì)量。實驗測試結(jié)果表明，當(dāng)整流天線接收功率為16 dBm時，整流天線的直流轉(zhuǎn)換效率最高達到62%。此整流天線的天線剖面厚度為0.254 mm，全重僅36 g，具有結(jié)構(gòu)簡單、低剖面、寬頻帶、高整流效率等優(yōu)點，適合于負(fù)載有限的無人機等飛行器使用。