濾波天線技術(shù)在微波能量傳輸中的應(yīng)用研究①

董亞洲，董士偉，王 穎，劉 碩，李小軍

(中國空間技術(shù)研究院西安分院 空間微波技術(shù)重點實驗室，西安 710000)

0 引言

微波無線能量傳輸(Microwave Power Transmission, MPT)是指不使用電纜而采用微波輻射傳輸?shù)姆绞綄㈦娔軓囊粋€裝置傳遞到另外一個裝置，是無線能量傳輸?shù)囊环N實現(xiàn)方式，與感應(yīng)耦合和磁場諧振耦合等近場無線能量傳輸方式相比其傳輸距離遠，與激光能量傳輸相比，其受天氣、云層等的影響小，可全天候保持較高的傳輸效率[1]。微波無線能量傳輸擺脫了傳統(tǒng)能量傳輸?shù)碾娎|限制，可以滿足多個領(lǐng)域的應(yīng)用需求也得到了越來越多的重視，如空間太陽能電站、分布式衛(wèi)星系統(tǒng)、在軌服務(wù)與維護系統(tǒng)等空間應(yīng)用以及電磁能量獲取、無人機無線輸能、特殊場合下無線輸電等地面應(yīng)用[2-4]。

在微波能量傳輸系統(tǒng)中，整流天線陣列完成微波能量的接收和整流，整流天線的設(shè)計對于保證微波能量傳輸?shù)恼w效率至關(guān)重要。整流天線由接收天線單元和整流電路構(gòu)成，通常在接收天線和整流電路之間包含一個低通濾波器用來抑制高次諧波的再次輻射。整流天線中所用的接收天線可以是任意形式，如偶極子、八木天線、微帶天線以及拋物面天線等，目前的研究中以微帶天線為主[5,6]。常規(guī)整流天線中存在的濾波器、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等損耗及普通微帶天線的窄帶特性，使得其效率及帶寬等特性存在可提升的空間。

近年來，濾波天線技術(shù)在天線與微波技術(shù)研究領(lǐng)域受到持續(xù)關(guān)注[7-11]，濾波天線將天線輻射單元看作濾波器電路理論中的一個諧振單元，將天線與濾波器結(jié)合在一起進行集成設(shè)計，可靈活控制天線的頻率響應(yīng)，從而易于設(shè)計寬帶天線并提高天線與電路的集成度。而微波無線能量傳輸中的整流天線中通常包含前端濾波器用于抑制二極管非線性產(chǎn)生的高次諧波再輻射。從提高效率和集成度方面考慮，也亟需研究高效高集成度的整流天線技術(shù)，因此可考慮將集成濾波天線的概念和理論將其與整流電路相結(jié)合，開展濾波整流天線技術(shù)研究。

本文首先簡要介紹了濾波天線及整流天線的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，在此基礎(chǔ)上提出將濾波天線的概念與整流電路相結(jié)合，開展濾波整流天線技術(shù)研究，并給出了濾波整流天線建模的初步研究成果。

1 整流天線與濾波天線國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 微波整流天線技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

微波能量接收整流作為微波能量傳輸系統(tǒng)中的重點關(guān)鍵技術(shù)，各國的科研機構(gòu)都針對各種不同應(yīng)用的需求開展了廣泛而深入的研究[12-14]。根據(jù)目前微波能量傳輸系統(tǒng)中存在的問題及未來的發(fā)展需求，微波能量接收整流技術(shù)的發(fā)展趨勢主要包括以下幾個方面：

(1)高頻段微波能量接收整流技術(shù)

現(xiàn)階段微波能量傳輸技術(shù)面對的一大問題是為了保證高效傳輸，收發(fā)天線的尺寸較大，顯而易見提高工作頻率可以減小微波能量收發(fā)設(shè)備的尺寸。2017年以色列特拉維夫大學(xué)的研究人員提出了一種基于65nm CMOS工藝的W頻帶微波能量收集整流天線，采用了在片天線設(shè)計，工作在95GHz，面積僅為0.611mm2，輸出功率為0.2mW，整流效率6%[15]。

(2)寬帶化/多頻帶微波能量接收整流技術(shù)

對于微波能量收集來說，微波能量接收整流部件的工作帶寬越大，則收集到的能量越多，因為寬帶化/多頻帶的微波能量接收整流技術(shù)成為了發(fā)展趨勢之一。

2004年美國科羅拉多大學(xué)研制了一種64單元寬帶雙圓極化螺旋天線陣列[16]，該工作頻段為2～18GHz，在入射波功率密度為10 mW/cm2時，對于任意極化方式條件下整流效率可達20%以上。電子科技大學(xué)在2014年設(shè)計了一種應(yīng)用于微波能量傳輸?shù)膶拵д麟娐穂17]，工作頻帶在1.9-2.5 GHz，最低轉(zhuǎn)換效率超過49%。2017年香港科技大學(xué)的學(xué)者提出了一種雙端口三頻帶的微帶整流天線，可用于環(huán)境射頻能量收集，將兩個單端口饋電的微帶天線背靠背堆疊，分別吸收半空間的電磁波，采用L形探針饋電拓展帶寬，可工作在GSM-900，GSM-1800和UMTS-2100三個頻帶[18]。

(3)低功率整流天線技術(shù)

對于環(huán)境微波能量收集與獲取來說，其微波能量密度很低，高效低功率整流天線技術(shù)可更加高效地收集能量。2012年日本采用差模整流天線實現(xiàn)低功率密度區(qū)域的高效整流[19]，采用三個微帶天線單元和兩個整流二極管形成鏡像對稱結(jié)構(gòu)，使得加到整流二極管兩端的電磁波相位相反，施加的射頻電壓為普通整流天線的兩倍，從而在低功率密度時仍然能夠?qū)崿F(xiàn)高效整流。

(4)基于電磁超材料的低反射接收整流技術(shù)

在微波能量傳輸中傳統(tǒng)的接收天線后向反射將導(dǎo)致微波能量散射，使得接收到的能量減少，同時微波能量波束到達角度的動態(tài)變化也將影響接收整流效率。在此背景下，基于電磁超材料的低反射接收整流技術(shù)成為發(fā)展重點之一。2014 年，西安空間無線電技術(shù)研究所和浙江大學(xué)研究小組提出了微波整流電磁超表面思想，并采用嵌入整流電路的I形亞波長單元構(gòu)建了均勻序微波整流表面，工作頻率為2.18 GHz，在垂直入射和0.1mW/cm2功率密度條件下，吸收率達到 99.92%，實現(xiàn)了27.71%的接收整流整體效率[20]。

(5)適用于信息與能量協(xié)同傳輸?shù)慕邮照骷夹g(shù)

無線系統(tǒng)通常平時需要面對能量供應(yīng)與數(shù)據(jù)通信的需求。2013年上海大學(xué)楊雪霞教授提出了一種適用于信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)的整流天線，將雙極化天線作為接收天線，利用雙端口饋電的方式解決信息與能量協(xié)同接收問題，兩端口之間隔離度較高，可以減小信息與能量傳輸之間的相互影響[21]。2017年電子科技大學(xué)楊雪松、王秉中教授等人提出了一種雙通道頻率可重構(gòu)整流天線用于微波能量傳輸和數(shù)據(jù)通信，采用兩端口饋電偶極子天線，在饋電網(wǎng)絡(luò)上通過二極管來控制天線的工作頻帶，使兩端口分別工作在同頻或不同頻，采用缺陷地結(jié)構(gòu)使兩端口之間的隔離度達15dB以上[22]。

(6)整流天線集成設(shè)計技術(shù)

為了提高整流天線的集成度，有學(xué)者提出可采用具有諧波抑制功能的接收天線，以省去整流電路中的前端濾波器。2010年上海大學(xué)楊雪霞教授等人設(shè)計了微帶饋線下具有DGS(缺陷地結(jié)構(gòu))的圓極化貼片天線用于避免諧波輻射。微帶饋線下的地板上的雙啞鈴狀DGS結(jié)構(gòu)可抑制諧波，該天線工作頻率5.8GHz處的反射系數(shù)為-30dB，二次諧波11.6GHz處的反射系數(shù)為-3dB[23]。

2018年四川大學(xué)報道了一種具有諧波抑制功能的C頻段圓極化整流天線陣列，天線采用了SIW技術(shù)來提高增益、全向性以及抑制表面波，在饋電微帶線上加載了一段開路枝節(jié)來抑制二次諧波，該天線工作在5.8GHz，二次諧波頻率11.6GHz處的回波損耗約為-0.876dB[24]。

目前的整流天線集成設(shè)計中大多僅考慮到對諧波的抑制，而通過整體集成設(shè)計全面提升整流天線帶寬、抑制度、整流效率等性能的研究較少，繼續(xù)開展進一步深入研究。

1.2 濾波天線技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

傳統(tǒng)微波射頻前端中的天線、濾波器、功分器、雙工器均是各自獨立分別設(shè)計再級聯(lián)在一起，這種方法導(dǎo)致射頻前端體積較大，而且受限于各部件互聯(lián)時的損耗、不匹配等。為了提高天線及射頻前端的頻率響應(yīng)特性并減小射頻前端的體積，有學(xué)者將濾波器和天線集成在一起，形成了"濾波天線"，并在近年來得到了極大關(guān)注，主要具有以下優(yōu)點：

1)提高天線阻抗帶寬；

2)類似濾波器的頻率選擇特性；

3)寬帶諧波抑制特性；

4)提高了天線與射頻前端的集成度。

臺灣新竹交通大學(xué)的研究人員提出了一種濾波天線，將L形天線單元與N-1個平行半波長微帶諧振器集成在一起，形成了N階集成濾波天線，見圖1。為了驗證該思想，設(shè)計制作了工作頻率為2.53GHz的三階集成濾波天線原型，實際工作帶寬可達3%[7]。為了減小損耗并提高帶外抑制度，利用SIW諧振器的高Q值，將縫隙天線和SIW諧振器集成，美國中佛羅里達大學(xué)的研究人員在2010年提出了三維集成濾波天線，見圖2，工作頻率為10.18GHz，帶寬可達2.9%[8]。

圖1 文獻[7]中的濾波天線Fig.1 Filtering antenna in Ref.[7]

圖2 基于SIW的三維濾波天線Fig.2 3D Filtering antenna base on SIW

2016年英國肯特大學(xué)的研究人員將集成濾波天線進一步發(fā)展，利用諧振器耦合網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了功分功能，提出了集成濾波天線陣列。設(shè)計研制了S頻段2×2濾波天線陣列，如圖3所示，具有帶寬較寬、頻率選擇性好、諧波抑制度高等優(yōu)點[11]。

圖3 集成濾波天線陣列Fig.3 Integrated filtering antenna array

2 濾波整流天線概念與建模分析方法

2.1 濾波整流天線概念

綜上所述，整流天線的高效率、高集成以及寬帶設(shè)計的研究本身就有待深入，集成濾波天線在更高性能更多功能集成方面的研究也需要進一步深入，其在微波整流天線應(yīng)用方面的研究更是存在明顯空白。本文提出將集成濾波天線的概念和理論與整流電路相結(jié)合，針對微波無線能量傳輸系統(tǒng)中整流天線的性能需求，開展集成濾波整流天線技術(shù)研究。

濾波天線的概念應(yīng)用于整流天線設(shè)計，可避免使用濾波器并提高整流天線的集成度。由于整流電路的輸入阻抗通常為復(fù)數(shù)阻抗，因此特別希望設(shè)計具有復(fù)數(shù)阻抗的濾波天線。由此可提高整流天線的總體效率。迄今為止，大多數(shù)關(guān)于濾波天線的研究目標(biāo)是改善無線通信系統(tǒng)中的頻率選擇特性，其僅關(guān)注頻率響應(yīng)。但是這不能滿足微波無線能量傳輸中整流天線的要求。如圖4所示，本文所提出的基于復(fù)數(shù)阻抗匹配濾波天線的整流天線設(shè)計完全消除了傳統(tǒng)整流天線設(shè)計中天線單元和整流電路之間的濾波器和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。

2.2 建模分析方法

在濾波天線理論、建模與分析方法研究中將天線單元作為諧振單元與集成濾波、濾波功分網(wǎng)絡(luò)一起，采用濾波器電路理論與天線輻射場理論結(jié)合的方法進行建模與分析。圖5給出了采用雙模枝節(jié)線加載諧振器(Stub-loaded Resonator，SLR)的濾波天線單元的結(jié)構(gòu)模型及其等效電路模型。還可采用其他類型的諧振器如發(fā)夾形、SIW諧振腔等來獲得更高的Q值更低的損耗性能。將多個諧振器級聯(lián)耦合與天線諧振單元聯(lián)合分析，便可得到具有功分/功合、集成濾波天線陣列結(jié)構(gòu)。

圖4 基于復(fù)數(shù)阻抗匹配濾波天線的整流天線設(shè)計Fig.4 Rectenna design based on complex impedance matching filtering antenna

(a)雙模枝節(jié)線加載諧振器的濾波天線單元結(jié)構(gòu)模型

(b)等效電路模型圖5 濾波天線示例等效電路模型Fig.5 Equivalent circuit model of filtering antenna example

針對微波無線能量傳輸中的整流天線應(yīng)用需求，由于整流器件輸入阻抗大多為復(fù)數(shù)阻抗，且隨頻率和輸入功率而變化，為實現(xiàn)濾波天線與整流電路的高度集成，必須使得集成濾波天線在維持特定濾波性能的同時具備任意復(fù)數(shù)阻抗匹配功能。本項目計劃研究基于等效電路模型和耦合矩陣的復(fù)數(shù)阻抗匹配濾波理論，以微波濾波器的等效電路模型綜合方法為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出新的耦合矩陣，阻抗匹配由調(diào)整耦合矩陣中的外部品質(zhì)因數(shù)和自耦合系數(shù)來實現(xiàn)，由該耦合矩陣描述的濾波天線源阻抗和負載阻抗可以是任意的復(fù)數(shù)。圖6給出了復(fù)數(shù)阻抗匹配濾波天線的原理圖和等效電路圖，其阻抗矩陣形式如下式所示。

(1)

(2)

根據(jù)濾波天線的物理結(jié)構(gòu)將ZS設(shè)為空氣波阻抗，推導(dǎo)出耦合矩陣，通過耦合矩陣可以計算出濾波器的響應(yīng)進行研究分析。建立了濾波天線復(fù)數(shù)阻抗匹配濾波理論模型以后，即可結(jié)合多種新型濾波天線單元和陣列結(jié)構(gòu)進行仿真研究。

(a)原理圖

(b)基于K 變換器的等效模型圖6 復(fù)數(shù)阻抗匹配濾波天線等效模型Fig.6 Equivalent model of complex impedance matching filtering antenna

4 結(jié)束語

微波無線能量傳輸與電磁能量獲取是無線電科學(xué)技術(shù)的新應(yīng)用，它可能改變能量的產(chǎn)生方式和傳輸方式(由有線到無線)，將成為人類科學(xué)技術(shù)的巨大進步。本文根據(jù)濾波天線與整流天線的實際特性，將天線理論與電路理論聯(lián)系起來，將天線輻射單元看作諧振器，與電路中其他諧振腔的諧振頻率和耦合系數(shù)可根據(jù)天線結(jié)構(gòu)的物理屬性確定，從而建立復(fù)數(shù)阻抗匹配濾波天線的等效模型，有望應(yīng)用于高集成度整流天線設(shè)計，提高微波能量收集與轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)部件的集成度，也必將顯著提升微波無線能量傳輸系統(tǒng)的整體效率。