一款小型化2.45 GHz整流天线的设计

和历阳，严安，李勋勇，刘长军

四川大学 电子信息学院，四川 成都 610064

微波无线能量传输（microwave wireless power transmission, MWPT）是微波工程应用的一个重要研究方向[1-4]。典型的MWPT系统由微波源、发射和接收天线、整流电路、负载等组成。接收天线和整流电路合称整流天线。整流天线一直是MWPT系统中的研究重点。

常规的MWPT系统的天线与整流电路通常是分立的[5]。实现小型化和提高整流效率一直是整流天线研究的目标。近年来微波整流天线研究也有很多进展，比如：在偶极子天线馈电端直接集成整流电路，减小整流天线尺寸[6-7]；基于谐波回收理论，提高整流天线效率[8]。

本文利用空气层提高贴片天线带宽，将整流电路设计在空气层内，实现了整流天线的小型化。

1 整流天线设计

整流电路通常由输入和输出滤波器、匹配电路、二极管等组成。本文的整流天线利用贴片天线的阻抗分布直接与二极管匹配，同时将整流电路集成在天线空气层内。该设计提高了天线对二次谐波的抑制功能，省去了整流电路输入端的滤波器，在整流天线输出端加入高阻抗线代替了输出端的滤波器。

1.1 天线

通常贴片天线阻抗带宽较窄，不利于整流天线的工程实现，因此加入空气层拓展天线的带宽。天线尺寸如表1所示。该天线采用F4B介质板（εr=2.65，厚度1 mm）进行加工，空气层厚度5 mm。天线电压反射系数|S11|如图1所示，在中心频率2.45 GHz处，|S11|达到-23 dB。天线的-10 dB带宽为2.38～2.52 GHz。与采用相同介质板但没有空气层的贴片天线相比，-10 dB处相对带宽从1.7%增加到5.7%。

表1 天线参数 mm

图1 天线|S11|实测

1.2 整流天线

通过全波仿真得到贴片天线阻抗随位置的分布情况[9]，将贴片中心设置在坐标轴的原点（由于对称性，只需要仿真x＞0和y＞0的区域）。阻抗分布如表2所示。

表2 贴片天线阻抗分布 Ω

肖特基二极管广泛用于微波整流电路中。综合考虑工作频率和转换效率，本文选取HSMS-282C作为整流二极管，具体参数为：反向击穿电压Vbr=15 V，结电容Cj0=0.7 pF，串联电阻Rs=6 Ω。

在ADS软件中，将贴片天线等效为内阻为Zs的信号源，与肖特基二极管整流电路连接如图2所示。

图2 整流天线仿真原理

其中λg/8终端短路微带线匹配二极管容性虚部，同时起到回收二次谐波的作用[10]。根据仿真结果设置λg/8微带线特征阻抗为60 Ω，调节整流电路输入阻抗Zin接近 50 Ω，|S11|达到-21 dB，根据表2选取贴片天线匹配的位置。

采用同样的F4B介质板制作λg/8微带线滑块，如图3所示。

在空气层中插入微带线滑块会略微影响贴片天线的谐振频率，通过调整贴片尺寸进行补偿。图4展示了调整贴片尺寸后天线实测|S11|、E面和H面方向图。从图中可以看到，天线|S11|在2.45 GHz达到-20.5 dB，在4.9 GHz为-2 dB。加入滑块结构后，天线对二次谐波的抑制性能得到提升。

图4 天线测量

整流天线实物如图5所示，尺寸如表3所示。将二极管插入图中所示位置，二极管引脚一端连接天线辐射贴片，另一端连接微带线滑块。将微带线滑块集成在空气层中改善了天线对二次谐波的抑制性能，省去了输入端滤波器。在输出端，高阻抗线替代了输出直流滤波器。

图5 整流天线结构

表3 整流天线尺寸 mm

2 测量结果与分析

2.1 测试系统

测试系统如图6所示。采用Analog Devices公司的HMC-T2220型号信号源、固态放大器、15 dB标准增益喇叭天线和功率计进行测试。测试距离是3 m。首先用功率计测量整流天线接收功率，然后将整流天线连接负载，测量输出直流电压。贴片整流天线的整流效率为：

式中：Pin是整流天线接收功率；Vout是直流输出电压；Rload是直流负载。

图6 测试系统

2.2 测试结果

图7展示了整流天线在20 dBm输入功率下，滑块在3个不同位置下的输出直流电压和整流效率随负载变化曲线。从图中可以看到，随着微带线滑块的移动，整流效率不同。当滑块在mspace=17 mm时，整流效果最好。

图7 微带线滑块在不同位置的测量结果

图8给出了微带线滑块在mspace=17 mm位置时，不同输入功率下的输出电压和整流效率随负载的变化曲线。

图8 不同输入功率下的测量结果

从图中可以看到，当输入功率增加时，输出电压和功率均在上升。当输入功率在17～20 dBm，负载在100～400 Ω时，该整流天线均获得了高于60%的整流效率。在输入功率为20 dBm，负载在100 ～260 Ω时，该整流天线均获得了高于70%的整流效率，最高整流效率达到了72.4%，此时的输入功率为20 dBm，负载为140 Ω。表4展示了本文设计与文献中的2.45 GHz整流天线的尺寸和整流效率对比。从表中可以看到，本文工作与文献[11]相比，整流天线尺寸减小，效率提升；与文献[12]相比，整流天线整体尺寸有所增加，但是整流效率提高了3.1%；与文献[13]相比，最高整流效率接近，但是尺寸仅为11%。

表4 整流天线对比

3 结论

本文提出了一款结构新颖的整流天线，将整流电路集成在贴片天线空气层中。该整流天线采用HSMS-282C肖特基二极管，在2.45 GHz、输入功率为20 dBm和140 Ω负载的条件下，整流电路达到72.4%的整流效率。

1)该整流天线根据天线阻抗特性与二极管阻抗特性直接进行匹配，改变了传统整流天线采用的天线与电路分立设计的方式，简化了整流天线设计；

2)将整流电路集成在贴片天线空气层中，实现了整流天线的小型化；

3)该款整流天线利用λg/8终端短路微带线结构进行谐波回收，提升了整流天线的效率。

本文设计的整流天线具有小型化、匹配电路设计复杂度低、高整流效率、低加工成本等优势，可以应用到微波无线能量传输工程系统中，在未来的工作中还需要研究减小天线厚度的方法。