X波段圓極化大功率整流天線研究①

徐 冉，林先其，樊 勇

(電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，成都 611731)

0 引言

早在1899年，美國籍科學(xué)家Nicola Tesla提出了微波輸能的概念并首次進(jìn)行了低頻段的微波輸能實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了微波輸能系統(tǒng)的可行性。隨后引發(fā)了國內(nèi)外學(xué)者對微波輸能技術(shù)研究的熱潮[1-2]。1987年9月，加拿大通信研究中心進(jìn)行了著名的靜止高空中繼平臺試驗(yàn)，成功為一個(gè)總長度為2.9m，翼展為4.5m，重4.1 kg的無人機(jī)提供150W的能量，使其在150m的高空持續(xù)飛行了20分鐘[3-4]。2008年，John Mankins與Texas A&M大學(xué)和日本神戶大學(xué)在毛伊島上架設(shè)發(fā)射天線陣列，進(jìn)行了國際范圍內(nèi)第一次百公里級的微波傳能試驗(yàn)[5]。國內(nèi)，四川大學(xué)、上海大學(xué)、重慶大學(xué)、電子科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、中國電科、中國航天科技、中國船舶重工、中科院等諸多單位隨后都對微波輸能技術(shù)展開了相關(guān)研究[6-11]。

微波無線傳能技術(shù)可以將能量以微波的形式在空間中進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送。微波無線能量傳輸系統(tǒng)的傳輸功率可從瓦級別到千瓦級別，能適用于不同應(yīng)用場景。微波具有更強(qiáng)的大氣穿透能力以及環(huán)境適應(yīng)性，包括多徑抗干擾傳輸?shù)?，可在降雨、云層和其他大氣層條件下，提供穩(wěn)定、連續(xù)的能量傳輸，甚至可以在叢林、城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、地道等多種復(fù)雜地理環(huán)境下進(jìn)行非直線傳輸。因此，微波無線傳能技術(shù)具有傳輸功率大、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、等優(yōu)點(diǎn)，適合在環(huán)境復(fù)雜的情況下，為遠(yuǎn)距離的各種功率設(shè)備供電，甚至在供電的同時(shí)能夠完成信息的交互。

微波無線傳能系統(tǒng)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示微波無線輸能系統(tǒng)主要由微波功率發(fā)生器、發(fā)射天線、自由空間、整流天線、用電終端等構(gòu)成。

圖1 微波無線傳能系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of microwave wireless energy transmission system

微波功率發(fā)生器將直流電能轉(zhuǎn)化為微波能量信號輸送到發(fā)射天線，發(fā)射天線將該信號輻射到自由空間中，終端的整流天線接收到該信號，并將其轉(zhuǎn)化為直流電能用于終端的用電器供電。

目前，微波無線傳能技術(shù)受到世界各國的重視，主要朝著高效率能量轉(zhuǎn)換、捕獲與利用，設(shè)備輕量化與小型化等方向發(fā)展。由于微波傳能技術(shù)具有能量傳輸距離遠(yuǎn)、位置靈活、可跟蹤等明顯優(yōu)勢，所以微波無線傳能在工業(yè)民用和軍事領(lǐng)域均展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值與發(fā)展?jié)摿Α?/p>

高功率的整流天線也是其中研究的重點(diǎn)問題之一。關(guān)于大功率整流，目前的研究主要基于GaAs和GaN晶體管來實(shí)現(xiàn)，2013年葉力群，郁成陽等人報(bào)導(dǎo)了一種基于GaAs晶體管的2.45GHz頻段大功率整流電路[12]，該整流電路在輸入微波功率為30dBm，負(fù)載38Ω時(shí)最佳整流效率為41%。 2014年Litchfield，Schafer等人基于GaN在10.1GHz頻段實(shí)現(xiàn)大功率整流[13]，該電路可以在34.14dBm的輸入功率下獲得64.4%的整流效率。用GaAs和GaN晶體管雖然可以適用于大功率的整流輸出，但存在電路復(fù)雜且體型較大問題，不適合和天線進(jìn)行結(jié)合運(yùn)用到傳感器終端供電。本文基于9.6GHz頻段采用hsms2823二極管設(shè)計(jì)了適用于高輸入功率情況的整流電路和圓極化接收天線，整流天線整體尺寸為15mm*15mm,在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)兼顧良好的整流轉(zhuǎn)換效率。

1 接收天線研究

天線的性能會影響捕獲環(huán)境微波能量的能力，所以是無線輸能系統(tǒng)中關(guān)鍵的一部分，所以必須要選擇高靈敏度的天線。微帶天線與常用的天線相比,具有體積小、重量輕、與載體結(jié)合的特點(diǎn),適合印刷電路工藝的批量生產(chǎn)[14]。同時(shí)圓極化天線相比其他極化具有高靈敏度、易接收空間電磁波的優(yōu)勢，同時(shí)還能抑制雨霧反射雜波的干擾[15]，符合更實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境。天線采用背腔結(jié)構(gòu)兩層版層壓設(shè)計(jì)，采用RF35基板，介電常數(shù)為3.5，總體尺寸長和寬都為L=15mm，厚度為h=1.016mm。第一層基板厚度為h1=0.254mm，相關(guān)的頂層結(jié)構(gòu)圖形和底層圖形如圖2所示，其中R1=4.15mm，饋電通孔R2=0.25mm，通過調(diào)節(jié)中間圓形貼片R1的尺寸來改變其諧振頻率，通過調(diào)節(jié)饋電通孔的位置來調(diào)節(jié)其圓極化軸比。

第二層基板厚度為h2=0.762mm，相關(guān)的頂層結(jié)構(gòu)圖形和底層圖形如圖3所示。中間圓形結(jié)構(gòu)鏤空，形成腔體，尺寸為R3=5.9mm，均勻分布在外圍的小圓環(huán)尺寸均為R2=0.25mm，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)損耗小，剖面低，小型化易集成，可以有效的將天線接收的能量通過饋電孔傳遞到整流電路中。

最終天線的實(shí)物圖由圖4給出，仿真結(jié)果如圖5所示，可以看出該天線在在0°到45°的寬角度范圍內(nèi)都具有良好的圓極化軸比，可以靈敏的接收能量信號。

圖2 圓極化接收天線第一層基板頂層和底層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the top and bottom layers of the first substrate of the circular polarization receiving antenna

圖3 圓極化接收天線第二層基板頂層和底層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the top and bottom layers of the second substrate of the circular polarization receiving antenna

圖4 圓極化接收天線實(shí)物照片F(xiàn)ig.4 Physical picture of circular polarization receiving antenna

圖5 圓極化接收天線各角度軸比隨頻率變化關(guān)系Fig.5 The relationship between the angular ratio and frequency of the circular polarization receiving antenna

2 整流電路研究

通過調(diào)研對比整流管的開啟電壓和反向擊穿電壓，在X波段可采用hsms282系列整流管用于大功率整流，其相關(guān)參數(shù)為VB=15V，Rs=6Ω，Cj0-0.7pF。本文采用雙管hsms2823整流管，雙管可承受的功率更大，可以防止功率過大導(dǎo)致整流管被擊穿的情況出現(xiàn)。整流電路基于雙管并聯(lián)和短路匹配支節(jié)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，為方便與接收天線結(jié)合 ，整體設(shè)計(jì)尺寸控制在14*14mm以內(nèi)，相關(guān)電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。該結(jié)構(gòu)包含短路匹配支節(jié)、隔直電容、雙扇形貼片(抑制諧波)和濾波電容。

加工實(shí)物后對整流電路進(jìn)行測試，在負(fù)載50歐姆的情況下，在30dBm(1W)輸入功率下可以獲得最高接近50%的整流效率(整流效率由公式(1)進(jìn)行計(jì)算)，相關(guān)仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果由圖7給出。

(1)

表1整理了近十年來X波段及以下的整流電路研究，對比可以發(fā)現(xiàn)基于X波段采用二極管設(shè)計(jì)的整流電路在中低輸入功率可獲得很高的整流效率，其他學(xué)者針對25dBm以上的高輸入功率情況普遍采用GaN來進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。本文采用hsms-2823整流管，在9.6GHz頻段1W的輸入功率下實(shí)測可以獲得接近50%的整流效率，對比GaN電路，該電路結(jié)構(gòu)簡單，尺寸在14*14mm以內(nèi)，兼顧小型化與高輸入功率下的優(yōu)良整流性能。

圖6 整流電路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of rectifier circuit structure

表1 X波段及以下整流電路性能比較Tab.1 Performance comparison of X band and the following rectifier circuit

圖7 整流電路仿真和測量效率對比Fig.7 Comparison diagram of simulation and measurement efficiency of rectifier circuit

3 整流天線結(jié)合測試

將前文所述的接收天線與整流電路通過饋針結(jié)合，正面天線接收微波信號，通過饋針將能量傳遞給背面的整流電路。圖8給出了整流天線的實(shí)物及實(shí)驗(yàn)測試場景，實(shí)測結(jié)果在1W輸入發(fā)射輸入功率下，負(fù)載50ohm，最高可獲得3.6V的輸出電壓，接收端接收能量轉(zhuǎn)換為直流可獲得259mW左右的能量。

圖8 整流天線實(shí)物測試Fig.8 Diagram of rectenna physical test

4 結(jié)論

本文基于X波段設(shè)計(jì)了一款寬角度都具有良好軸比的圓極化天線，并給出了適用于1W以上高輸入功率的整流電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡單易與天線結(jié)合，小型化易集成。實(shí)測整流電路在1W的輸入功率下可獲得接近50%的整流效率。最后將整流電路與天線結(jié)合進(jìn)行測試，實(shí)測結(jié)果在1W的發(fā)射功率下，接收端最終可獲得259mW左右的直流能量，從微波能量信號發(fā)射到接收直流能量輸出的整體轉(zhuǎn)換效率不到30%。一方面是因?yàn)榇髿鈸p耗導(dǎo)致了接收端輸入功率的下降，另一方面天線與整流電路之間通過饋針結(jié)合也造成了不少的能量損耗，后期可通過層壓設(shè)計(jì)將天線與整流電路一體化，理應(yīng)獲得更理想的整體轉(zhuǎn)換效率。