X波段圆极化大功率整流天线研究①

徐 冉，林先其，樊 勇

(电子科技大学 电子科学与工程学院，成都 611731)

0 引言

早在1899年，美国籍科学家Nicola Tesla提出了微波输能的概念并首次进行了低频段的微波输能实验，验证了微波输能系统的可行性。随后引发了国内外学者对微波输能技术研究的热潮[1-2]。1987年9月，加拿大通信研究中心进行了著名的静止高空中继平台试验，成功为一个总长度为2.9m，翼展为4.5m，重4.1 kg的无人机提供150W的能量，使其在150m的高空持续飞行了20分钟[3-4]。2008年，John Mankins与Texas A&M大学和日本神户大学在毛伊岛上架设发射天线阵列，进行了国际范围内第一次百公里级的微波传能试验[5]。国内，四川大学、上海大学、重庆大学、电子科技大学、华南理工大学、中国电科、中国航天科技、中国船舶重工、中科院等诸多单位随后都对微波输能技术展开了相关研究[6-11]。

微波无线传能技术可以将能量以微波的形式在空间中进行远距离输送。微波无线能量传输系统的传输功率可从瓦级别到千瓦级别，能适用于不同应用场景。微波具有更强的大气穿透能力以及环境适应性，包括多径抗干扰传输等，可在降雨、云层和其他大气层条件下，提供稳定、连续的能量传输，甚至可以在丛林、城市、乡镇、地道等多种复杂地理环境下进行非直线传输。因此，微波无线传能技术具有传输功率大、环境适应性强、等优点，适合在环境复杂的情况下，为远距离的各种功率设备供电，甚至在供电的同时能够完成信息的交互。

微波无线传能系统的基本拓扑结构示意图如图1所示微波无线输能系统主要由微波功率发生器、发射天线、自由空间、整流天线、用电终端等构成。

图1 微波无线传能系统示意图Fig.1 Schematic diagram of microwave wireless energy transmission system

微波功率发生器将直流电能转化为微波能量信号输送到发射天线，发射天线将该信号辐射到自由空间中，终端的整流天线接收到该信号，并将其转化为直流电能用于终端的用电器供电。

目前，微波无线传能技术受到世界各国的重视，主要朝着高效率能量转换、捕获与利用，设备轻量化与小型化等方向发展。由于微波传能技术具有能量传输距离远、位置灵活、可跟踪等明显优势，所以微波无线传能在工业民用和军事领域均展现出巨大的应用价值与发展潜力。

高功率的整流天线也是其中研究的重点问题之一。关于大功率整流，目前的研究主要基于GaAs和GaN晶体管来实现，2013年叶力群，郁成阳等人报导了一种基于GaAs晶体管的2.45GHz频段大功率整流电路[12]，该整流电路在输入微波功率为30dBm，负载38Ω时最佳整流效率为41%。 2014年Litchfield，Schafer等人基于GaN在10.1GHz频段实现大功率整流[13]，该电路可以在34.14dBm的输入功率下获得64.4%的整流效率。用GaAs和GaN晶体管虽然可以适用于大功率的整流输出，但存在电路复杂且体型较大问题，不适合和天线进行结合运用到传感器终端供电。本文基于9.6GHz频段采用hsms2823二极管设计了适用于高输入功率情况的整流电路和圆极化接收天线，整流天线整体尺寸为15mm*15mm,在实现小型化的同时兼顾良好的整流转换效率。

1 接收天线研究

天线的性能会影响捕获环境微波能量的能力，所以是无线输能系统中关键的一部分，所以必须要选择高灵敏度的天线。微带天线与常用的天线相比,具有体积小、重量轻、与载体结合的特点,适合印刷电路工艺的批量生产[14]。同时圆极化天线相比其他极化具有高灵敏度、易接收空间电磁波的优势，同时还能抑制雨雾反射杂波的干扰[15]，符合更实际的应用环境。天线采用背腔结构两层版层压设计，采用RF35基板，介电常数为3.5，总体尺寸长和宽都为L=15mm，厚度为h=1.016mm。第一层基板厚度为h1=0.254mm，相关的顶层结构图形和底层图形如图2所示，其中R1=4.15mm，馈电通孔R2=0.25mm，通过调节中间圆形贴片R1的尺寸来改变其谐振频率，通过调节馈电通孔的位置来调节其圆极化轴比。

第二层基板厚度为h2=0.762mm，相关的顶层结构图形和底层图形如图3所示。中间圆形结构镂空，形成腔体，尺寸为R3=5.9mm，均匀分布在外围的小圆环尺寸均为R2=0.25mm，这样的结构设计损耗小，剖面低，小型化易集成，可以有效的将天线接收的能量通过馈电孔传递到整流电路中。

最终天线的实物图由图4给出，仿真结果如图5所示，可以看出该天线在在0°到45°的宽角度范围内都具有良好的圆极化轴比，可以灵敏的接收能量信号。

图2 圆极化接收天线第一层基板顶层和底层结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the top and bottom layers of the first substrate of the circular polarization receiving antenna

图3 圆极化接收天线第二层基板顶层和底层结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the top and bottom layers of the second substrate of the circular polarization receiving antenna

图4 圆极化接收天线实物照片Fig.4 Physical picture of circular polarization receiving antenna

图5 圆极化接收天线各角度轴比随频率变化关系Fig.5 The relationship between the angular ratio and frequency of the circular polarization receiving antenna

2 整流电路研究

通过调研对比整流管的开启电压和反向击穿电压，在X波段可采用hsms282系列整流管用于大功率整流，其相关参数为VB=15V，Rs=6Ω，Cj0-0.7pF。本文采用双管hsms2823整流管，双管可承受的功率更大，可以防止功率过大导致整流管被击穿的情况出现。整流电路基于双管并联和短路匹配支节的结构实现，为方便与接收天线结合 ，整体设计尺寸控制在14*14mm以内，相关电路结构如图6所示。该结构包含短路匹配支节、隔直电容、双扇形贴片(抑制谐波)和滤波电容。

加工实物后对整流电路进行测试，在负载50欧姆的情况下，在30dBm(1W)输入功率下可以获得最高接近50%的整流效率(整流效率由公式(1)进行计算)，相关仿真结果与实测结果由图7给出。

(1)

表1整理了近十年来X波段及以下的整流电路研究，对比可以发现基于X波段采用二极管设计的整流电路在中低输入功率可获得很高的整流效率，其他学者针对25dBm以上的高输入功率情况普遍采用GaN来进行电路设计。本文采用hsms-2823整流管，在9.6GHz频段1W的输入功率下实测可以获得接近50%的整流效率，对比GaN电路，该电路结构简单，尺寸在14*14mm以内，兼顾小型化与高输入功率下的优良整流性能。

图6 整流电路结构示意图Fig.6 Schematic diagram of rectifier circuit structure

表1 X波段及以下整流电路性能比较Tab.1 Performance comparison of X band and the following rectifier circuit

图7 整流电路仿真和测量效率对比Fig.7 Comparison diagram of simulation and measurement efficiency of rectifier circuit

3 整流天线结合测试

将前文所述的接收天线与整流电路通过馈针结合，正面天线接收微波信号，通过馈针将能量传递给背面的整流电路。图8给出了整流天线的实物及实验测试场景，实测结果在1W输入发射输入功率下，负载50ohm，最高可获得3.6V的输出电压，接收端接收能量转换为直流可获得259mW左右的能量。

图8 整流天线实物测试Fig.8 Diagram of rectenna physical test

4 结论

本文基于X波段设计了一款宽角度都具有良好轴比的圆极化天线，并给出了适用于1W以上高输入功率的整流电路结构，该结构简单易与天线结合，小型化易集成。实测整流电路在1W的输入功率下可获得接近50%的整流效率。最后将整流电路与天线结合进行测试，实测结果在1W的发射功率下，接收端最终可获得259mW左右的直流能量，从微波能量信号发射到接收直流能量输出的整体转换效率不到30%。一方面是因为大气损耗导致了接收端输入功率的下降，另一方面天线与整流电路之间通过馈针结合也造成了不少的能量损耗，后期可通过层压设计将天线与整流电路一体化，理应获得更理想的整体转换效率。