一款轻量化整流天线设计

夏 铭，陈 星

(四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065)

0 引言

微波无线能量传输技术[1-2]是以微波作为能量载体从而实现远距离能量传输的发射与接收，其在空间太阳能电站[3-4]、可穿戴设备的无线充电、无人飞行器的能量补给[5]、偏远地区供电等民用和特殊领域具有重大的应用价值。作为一种新的能量传输方式，微波无线能量传输受大气影响小，可通过波束进行高精度指向控制[6]。微波无线能量传输系统中接收端的接收天线和整流电路组成整流天线，负责将接收到的微波能量转化为直流[7]。整流天线接收微波能量并将其转换为直流的效率，即为微波接收整流效率。

针对微波无线传能应用，前人设计了种类繁多的整流天线[8-13]。文献[10]通过将天线和整流二极管阻抗直接共轭匹配设计出一种新型的2.45 GHz整流天线,天线质量轻、结构简易，具有69.3%的最高整流效率。文献[12]提出了一款由天线阵和差分整流电路组成的5.8 GHz方向回溯微带整流天线阵，使用1.8 mm的F4B作为介质基板，天线双层结构使用介质柱支撑，其微波接收整流效率达到70.8%。文献[13]提出一款用金属环加载技术的5.8 GHz整流天线，天线口径效率为87%左右，最高微波接收整流效率为76.8%，使用探针集成整流电路和接收天线，馈电网络占用面积大，天线整体质量大。在地面向空中无人机无线传能相关应用中，安装于无人机上的整流天线不仅要求有高接收整流效率，一定的功率强度，同时还要求轻量化。上述整流天线虽各有优点，但都不适用于无人机相关领域的微波无线传能应用。

本文着重对应用于无人机的整流天线进行设计和研究，考虑到无人机的安装面积尺寸，对微带缝隙天线单元进行2×3组阵，最终设计出一款轻量化的高效率5.8 GHz微波整流阵列天线。天线制作于仅0.19 mm厚度的高频基板上，采用PMI泡沫板作为天线支撑骨架。整流电路同样制作于0.19 mm厚度的超薄基板上，替换部分微带线，集成在整流天线超薄基板背面，通过金属导电过孔与天线金属地连接，从而节省了SMA等微波接插件重量，大幅度地减轻了整流天线质量。

1 微波接收天线结构设计与测试

1.1 天线结构设计

该天线的结构如图1所示，使用0.19 mm的Rogers5880介质基板，介质基板一面为开有缝隙(矩形槽)的金属地，另外一面为天线的馈电微带线，缝隙下方的微带传输线以电磁耦合方式将射频能量耦合至辐射金属片，介质基板与辐射金属片之间的空气采用介电常数为1.07近似于空气的泡沫填充，辐射金属片镶嵌于泡沫之中，整体设计都满足天线轻质量特性。辐射单元连接处采用弯曲连线结构，增加结构突变处，增加电流流动路径，在保证天线增益的前提下缩小天线面积，从而提高天线口径效率，确保有限面积接收更多微波能量。

(a) 天线正面

(b) 天线背面

天线采用微带缝隙耦合馈电方式[14-15]，测试天线性能后直接将整流电路替代一部分微带线，实现天线和整流电路的集成，摒弃常规微波接插件，线缆或使用探针连接，降低加工组装难度，提高天线紧凑性设计。天线介质基板背后还集成了滤波电路，作为天线性能的延伸，进行太阳能、微波两种能量复合接收，矩形辐射单元替换为太阳能薄膜电池，太阳能薄膜电池产生的能量从滤波电路引出。天线所开矩形槽长度为16.9 mm,宽度为0.5 mm,开在距离边缘20.25 mm处。天线的尺寸参数如表1所示。

表1 天线结构参数

1.2 天线性能测试

(a) 天线正面

(b) 天线背面

(a) 单端口实测|S11|

(b) 单端口实测E面归一化方向图图3 天线单端口实测|S11|及方向图Fig.3 Measured | S11 | and pattern of antenna single port

2 微波整流电路设计与测试

整流电路的设计主要依靠二级管的单向导通性来实现从交流到直流的转换，本次设计的C波段整流电路主要运用于中高功率输能，故选用的整流二极管型号为BAT15-03W。由于二极管所产生的高次谐波中三次谐波的分量很小[16]，因此滤波器只包含两个扇形枝节，电路如图4所示，扇形结构的两个枝节分别滤除基频、二次谐波，使整流电路得以输出直流。

图4 整流电路结构Fig.4 Rectifier circuit structure

二极管之前的接地枝节在其呈感性的范围内调节其长度，抵消二极管在基频上产生的容抗并提供了直流的接地。T-junction微带线结构实现阻抗变换将阻抗实部匹配到50 Ω，为方便整流电路直接集成于天线介质基板背面，同样使用0.19 mm厚度的Rogers 5880作为电路介质基板。整流电路仿真效率最高为79.61%，实际效率测试结果如图5所示，分别对仿真最佳负载阻抗450 Ω，以及400 Ω与500 Ω三个值在不同输入功率下对电路进行测试，最高为当最佳输入功率为15 dBm时，实测最高整流效率为72.9%。

图5 效率测试图Fig.5 Efficiency simulation and test diagram

3 整流天线的设计与测试

整流天线的两个主要组成部分是整流电路和接收天线，整流电路和接收天线具有相同介质基板高度0.19 mm，将整流电路取代部分微带馈线实现接收天线和整流电路的共地集成，最大限度降低电路对整流天线面积的影响。在电路设计中，整流电路的输入阻抗是50 Ω，而实际上接收天线和整流电路是频率相关的，一定的失配将会导致巨大损耗，因此将接收天线和整流电路用HFSS和ADS一同联合仿真变得尤其重要。将HFSS中模型端口阻抗导入到ADS，将天线阻抗作为仿真模型的输入阻抗[17-18]，如图6所示；这样实现接收天线同整流电路的联合仿真，仿真结果如图7所示。S11在11.6 GHz和17.4 GHz两个频点处很低，良好地抑制了二次谐波与三次谐波，高次谐波无法从天线辐射出去，实现高次谐波的抑制，从而提高整流天线的整流效率，联合仿真具有76.8%的整流效率。

根据联合仿真结果设计并加工出了微波接收整流天线，整流天线实物如图8所示，天线辐射金属片采用激光切割，为提升天线结构的稳固性，用泡沫背面开槽嵌入介质基板。

图6 联合仿真图Fig.6 Joint simulation diagram

(a) 联合仿真反射系数图

(b) 联合仿真整流效率图图7 联合仿真结果Fig.7 Joint simulation results

(a) 天线正面

(b) 天线背面

整流天线测试系统如图9所示，该系统由微波源、标准喇叭发射天线、功率计、整流天线、电阻箱以及万用表组成。喇叭天线的口径尺寸D=126 mm，5.8 GHz频率对应的波长λ=51.72 mm,根据远场的距离公式:

(1)

得到该喇叭天线远场距离为0.61 m,为确保在远场传输，此次收发天线之间的距离设置为1.3 m。将接收端整流天线和发射端喇叭天线保持于同一高度，整流天线输出端接电阻箱作直流负载，万用表测试电阻箱两端电压。单个整流电路最佳匹配负载为450 Ω，对天线整体测试时6个端口并联再连接直流负载，此时最佳匹配负载为75 Ω。将功率计进行校准，微波源频率调至5.8 GHz，输出微波功率调至要求的功率值，微波源输出功率从1 W逐步增大到24 W，间隔1 W进行一次测试，通过测试数据及公式(2)～(3)即可得到微波接收转换效率：

(2)

(3)

式中，Gt为标准喇叭天线增益，Gr为接收天线增益，R为收发天线之间的距离，λ为5.8 GHz频率下的波长，PDC为万用表电压和匹配负载计算出的直流功率，直流转换效率测试结果如图10所示，测试最高微波接收整流效率为74.3%。

图9 转换效率系统测试图Fig.9 Conversion efficiency system test chart

图10 转换效率实测图Fig.10 Measured diagram of conversion efficiency

4 结论

随着整流天线应用场景的日益增多，轻量化、可共形、功率容量等要求也被提出。本文着重于轻质量，高接收整流效率、易加工易组装、鲁棒性好的特点设计了一款轻量化紧凑型整流天线阵列，该整流天线由C波段中功率整流电路和2×3微带缝隙耦合天线阵列集成设计而成。经实测在2.34 mw/cm2最佳输入功率下，微波接收整流效率最大为74.3%， 能有效地应用于质量要求苛刻的微波无线传能系统。但就极化形式、共形等特性，本文的工作尚处于初步阶段，还需要进一步深入广泛研究。