一款輕量化整流天線設計

夏 銘，陳 星

(四川大學 電子信息學院，四川 成都 610065)

0 引言

微波無線能量傳輸技術[1-2]是以微波作為能量載體從而實現遠距離能量傳輸的發射與接收，其在空間太陽能電站[3-4]、可穿戴設備的無線充電、無人飛行器的能量補給[5]、偏遠地區供電等民用和特殊領域具有重大的應用價值。作為一種新的能量傳輸方式，微波無線能量傳輸受大氣影響小，可通過波束進行高精度指向控制[6]。微波無線能量傳輸系統中接收端的接收天線和整流電路組成整流天線，負責將接收到的微波能量轉化為直流[7]。整流天線接收微波能量并將其轉換為直流的效率，即為微波接收整流效率。

針對微波無線傳能應用，前人設計了種類繁多的整流天線[8-13]。文獻[10]通過將天線和整流二極管阻抗直接共軛匹配設計出一種新型的2.45 GHz整流天線,天線質量輕、結構簡易，具有69.3%的最高整流效率。文獻[12]提出了一款由天線陣和差分整流電路組成的5.8 GHz方向回溯微帶整流天線陣，使用1.8 mm的F4B作為介質基板，天線雙層結構使用介質柱支撐，其微波接收整流效率達到70.8%。文獻[13]提出一款用金屬環加載技術的5.8 GHz整流天線，天線口徑效率為87%左右，最高微波接收整流效率為76.8%，使用探針集成整流電路和接收天線，饋電網絡占用面積大，天線整體質量大。在地面向空中無人機無線傳能相關應用中，安裝于無人機上的整流天線不僅要求有高接收整流效率，一定的功率強度，同時還要求輕量化。上述整流天線雖各有優點，但都不適用于無人機相關領域的微波無線傳能應用。

本文著重對應用于無人機的整流天線進行設計和研究，考慮到無人機的安裝面積尺寸，對微帶縫隙天線單元進行2×3組陣，最終設計出一款輕量化的高效率5.8 GHz微波整流陣列天線。天線制作于僅0.19 mm厚度的高頻基板上，采用PMI泡沫板作為天線支撐骨架。整流電路同樣制作于0.19 mm厚度的超薄基板上，替換部分微帶線，集成在整流天線超薄基板背面，通過金屬導電過孔與天線金屬地連接，從而節省了SMA等微波接插件重量，大幅度地減輕了整流天線質量。

1 微波接收天線結構設計與測試

1.1 天線結構設計

該天線的結構如圖1所示，使用0.19 mm的Rogers5880介質基板，介質基板一面為開有縫隙(矩形槽)的金屬地，另外一面為天線的饋電微帶線，縫隙下方的微帶傳輸線以電磁耦合方式將射頻能量耦合至輻射金屬片，介質基板與輻射金屬片之間的空氣采用介電常數為1.07近似于空氣的泡沫填充，輻射金屬片鑲嵌于泡沫之中，整體設計都滿足天線輕質量特性。輻射單元連接處采用彎曲連線結構，增加結構突變處，增加電流流動路徑，在保證天線增益的前提下縮小天線面積，從而提高天線口徑效率，確保有限面積接收更多微波能量。

(a) 天線正面

(b) 天線背面

天線采用微帶縫隙耦合饋電方式[14-15]，測試天線性能后直接將整流電路替代一部分微帶線，實現天線和整流電路的集成，摒棄常規微波接插件，線纜或使用探針連接，降低加工組裝難度，提高天線緊湊性設計。天線介質基板背后還集成了濾波電路，作為天線性能的延伸，進行太陽能、微波兩種能量復合接收，矩形輻射單元替換為太陽能薄膜電池，太陽能薄膜電池產生的能量從濾波電路引出。天線所開矩形槽長度為16.9 mm,寬度為0.5 mm,開在距離邊緣20.25 mm處。天線的尺寸參數如表1所示。

表1 天線結構參數

1.2 天線性能測試

(a) 天線正面

(b) 天線背面

(a) 單端口實測|S11|

(b) 單端口實測E面歸一化方向圖圖3 天線單端口實測|S11|及方向圖Fig.3 Measured | S11 | and pattern of antenna single port

2 微波整流電路設計與測試

整流電路的設計主要依靠二級管的單向導通性來實現從交流到直流的轉換，本次設計的C波段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BAT15-03W。由于二極管所產生的高次諧波中三次諧波的分量很小[16]，因此濾波器只包含兩個扇形枝節，電路如圖4所示，扇形結構的兩個枝節分別濾除基頻、二次諧波，使整流電路得以輸出直流。

圖4 整流電路結構Fig.4 Rectifier circuit structure

二極管之前的接地枝節在其呈感性的范圍內調節其長度，抵消二極管在基頻上產生的容抗并提供了直流的接地。T-junction微帶線結構實現阻抗變換將阻抗實部匹配到50 Ω，為方便整流電路直接集成于天線介質基板背面，同樣使用0.19 mm厚度的Rogers 5880作為電路介質基板。整流電路仿真效率最高為79.61%，實際效率測試結果如圖5所示，分別對仿真最佳負載阻抗450 Ω，以及400 Ω與500 Ω三個值在不同輸入功率下對電路進行測試，最高為當最佳輸入功率為15 dBm時，實測最高整流效率為72.9%。

圖5 效率測試圖Fig.5 Efficiency simulation and test diagram

3 整流天線的設計與測試

整流天線的兩個主要組成部分是整流電路和接收天線，整流電路和接收天線具有相同介質基板高度0.19 mm，將整流電路取代部分微帶饋線實現接收天線和整流電路的共地集成，最大限度降低電路對整流天線面積的影響。在電路設計中，整流電路的輸入阻抗是50 Ω，而實際上接收天線和整流電路是頻率相關的，一定的失配將會導致巨大損耗，因此將接收天線和整流電路用HFSS和ADS一同聯合仿真變得尤其重要。將HFSS中模型端口阻抗導入到ADS，將天線阻抗作為仿真模型的輸入阻抗[17-18]，如圖6所示；這樣實現接收天線同整流電路的聯合仿真，仿真結果如圖7所示。S11在11.6 GHz和17.4 GHz兩個頻點處很低，良好地抑制了二次諧波與三次諧波，高次諧波無法從天線輻射出去，實現高次諧波的抑制，從而提高整流天線的整流效率，聯合仿真具有76.8%的整流效率。

根據聯合仿真結果設計并加工出了微波接收整流天線，整流天線實物如圖8所示，天線輻射金屬片采用激光切割，為提升天線結構的穩固性，用泡沫背面開槽嵌入介質基板。

圖6 聯合仿真圖Fig.6 Joint simulation diagram

(a) 聯合仿真反射系數圖

(b) 聯合仿真整流效率圖圖7 聯合仿真結果Fig.7 Joint simulation results

(a) 天線正面

(b) 天線背面

整流天線測試系統如圖9所示，該系統由微波源、標準喇叭發射天線、功率計、整流天線、電阻箱以及萬用表組成。喇叭天線的口徑尺寸D=126 mm，5.8 GHz頻率對應的波長λ=51.72 mm,根據遠場的距離公式:

(1)

得到該喇叭天線遠場距離為0.61 m,為確保在遠場傳輸，此次收發天線之間的距離設置為1.3 m。將接收端整流天線和發射端喇叭天線保持于同一高度，整流天線輸出端接電阻箱作直流負載，萬用表測試電阻箱兩端電壓。單個整流電路最佳匹配負載為450 Ω，對天線整體測試時6個端口并聯再連接直流負載，此時最佳匹配負載為75 Ω。將功率計進行校準，微波源頻率調至5.8 GHz，輸出微波功率調至要求的功率值，微波源輸出功率從1 W逐步增大到24 W，間隔1 W進行一次測試，通過測試數據及公式(2)～(3)即可得到微波接收轉換效率：

(2)

(3)

式中，Gt為標準喇叭天線增益，Gr為接收天線增益，R為收發天線之間的距離，λ為5.8 GHz頻率下的波長，PDC為萬用表電壓和匹配負載計算出的直流功率，直流轉換效率測試結果如圖10所示，測試最高微波接收整流效率為74.3%。

圖9 轉換效率系統測試圖Fig.9 Conversion efficiency system test chart

圖10 轉換效率實測圖Fig.10 Measured diagram of conversion efficiency

4 結論

隨著整流天線應用場景的日益增多，輕量化、可共形、功率容量等要求也被提出。本文著重于輕質量，高接收整流效率、易加工易組裝、魯棒性好的特點設計了一款輕量化緊湊型整流天線陣列，該整流天線由C波段中功率整流電路和2×3微帶縫隙耦合天線陣列集成設計而成。經實測在2.34 mw/cm2最佳輸入功率下，微波接收整流效率最大為74.3%， 能有效地應用于質量要求苛刻的微波無線傳能系統。但就極化形式、共形等特性，本文的工作尚處于初步階段，還需要進一步深入廣泛研究。