一種用于微波無(wú)線能量傳輸?shù)腟波段圓極化整流天線設(shè)計(jì)

李勛勇，許立強(qiáng)，余澤，劉長(zhǎng)軍

四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064

微波無(wú)線能量傳輸(wireless power transmission，WPT)是將微波作為能量傳輸?shù)妮d體，用于實(shí)現(xiàn)能量無(wú)線傳輸?shù)囊环N技術(shù)。在空間太陽(yáng)能電站、空間電磁能量回收和移動(dòng)無(wú)線充電等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[1-3]。WPT系統(tǒng)通常包括微波源、發(fā)射天線和整流天線，其中整流天線是系統(tǒng)的核心器件之一，核心指標(biāo)是微波到直流的轉(zhuǎn)化效率。

傳統(tǒng)整流天線常采用天線和整流電路的分離設(shè)計(jì)，天線多采用線極化天線。分離設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致整流天線體積大[4]；極化匹配狀態(tài)對(duì)線極化整流天線的效率影響很大[5-6]。尤其在針對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的無(wú)線能量傳輸應(yīng)用中，極化匹配的影響更高[7]。因此，迫切需要整流天線的一體化和圓極化設(shè)計(jì)。

本文提出了一款結(jié)構(gòu)緊湊的基于CPS傳輸線的微波整流電路，直接與交叉偶極子組成的圓極化天線連接，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)輕巧的圓極化整流天線。由于沒(méi)有微帶線和同軸結(jié)構(gòu)，避免了平衡與非平衡的變換，該圓極化整流天線具有結(jié)構(gòu)緊湊和效率高的特點(diǎn)。

1 圓極化天線設(shè)計(jì)

將一對(duì)偶極子交叉放置組成交叉偶極子天線，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、重量輕等優(yōu)點(diǎn)[8-11]。偶極子天線的電長(zhǎng)度λ/2時(shí)，阻抗接近純阻；當(dāng)電長(zhǎng)度大于或小于λ/2時(shí)，其阻抗分別表現(xiàn)為感性或容性。偶極子上對(duì)應(yīng)電流的相位存在滯后或者超前。優(yōu)化尺寸使得偶極子上的電流相位差滿足90°，可實(shí)現(xiàn)圓極化輻射。

交叉偶極子天線為平衡式結(jié)構(gòu)，測(cè)量其天線性能時(shí)需要巴倫實(shí)現(xiàn)平衡變換。本文設(shè)計(jì)加工了一個(gè)巴倫，通過(guò)CPW-CPS-CPW背靠背的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行測(cè)試。其模型和實(shí)物以及回波損耗仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比如圖1所示。巴倫使用RF4介質(zhì)板，厚度為0.6 mm，主要參數(shù)wcpw、gcpw、scpw和wcps分別為3.0、7.5、0.4和3.0 mm。

圖1 巴倫模型和實(shí)物及回波損耗仿真和測(cè)量對(duì)比

本文設(shè)計(jì)的交叉偶極子天線輻射體采用直徑為1.2 mm、厚度為0.2 mm的空心銅管，具有導(dǎo)電性好、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。利用偶極子長(zhǎng)度和阻抗的關(guān)系，將兩個(gè)不同長(zhǎng)度的偶極子并聯(lián)，使得它們?cè)?.45 GHz產(chǎn)生90°的相位差，實(shí)現(xiàn)圓極化輻射。

在天線的下方約四分之一個(gè)波長(zhǎng)處添加了反射面，提高天線的增益，減小測(cè)量中環(huán)境對(duì)天線極化純度的影響。金屬反射面采用PCB工藝實(shí)現(xiàn)。天線的模型和實(shí)物如圖2所示，天線最終的尺寸經(jīng)過(guò)HFSS（high frequency structure simulator）優(yōu)化得到，其關(guān)鍵參數(shù)l1、l2、lref和lcps分別為27、34.5、120和16.5 mm。

圖2 天線的模型和實(shí)物

圖3給出了天線|S11|和軸比的仿真和實(shí)測(cè)對(duì)比結(jié)果，由圖3(a)可知，在2.03～3.08 GHz的范圍內(nèi)|S11|均低于-10 dB，測(cè)試和仿真結(jié)果基本吻合。天線在2.45 GHz處，軸比隨角度θ的變化如圖3(b)所示，其中θ為0°時(shí)，軸比為1.76 dB。

圖3 天線|S11|及軸比仿真與測(cè)量

圖4為天線E-面和H-面方向圖的仿真和實(shí)測(cè)對(duì)比圖。由于微波暗室測(cè)量過(guò)程中測(cè)量裝置遮擋，背向輻射測(cè)量值相比仿真值偏低。該天線在2.45 GHz處的增益為5.64 dBi，半功率波瓣寬度為85.6°。

基肥撒施后經(jīng)耕翻、旋耕，再起壟移栽，每小區(qū)5壟，辣椒育苗移栽，移栽密度為100株/小區(qū)。過(guò)磷酸鈣和硫酸鉀均一次基施，尿素按照3-3-4的運(yùn)籌比例分別在基肥-盛花期-盛果期施用，追肥方式為穴施。除肥料外，其他澆水、施用農(nóng)藥等管理措施均一致，試驗(yàn)大棚于8月下旬因暴雨受淹一次。

圖4 2.45 GHz處方向圖

2 CPS結(jié)構(gòu)整流電路設(shè)計(jì)

CPS傳輸線是一種平面的雙線傳輸線，非常方便與貼片器件連接。基于CPS傳輸線設(shè)計(jì)整流電路，直接與交叉偶極子天線連接，省去平衡非平衡變換。CPS傳輸線是一種平衡結(jié)構(gòu)，很方便與偶極子等平衡型天線直接連接。CPS傳輸線的特征阻抗為

其中εeff為等效介電常數(shù)，s和w分別為CPS傳輸線的間隔和寬度傳輸線的間隔s對(duì)阻抗影響較大。

并聯(lián)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在CPS設(shè)計(jì)的整流電路中具有電路緊湊、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。由于偶極子天線對(duì)直流為開(kāi)路結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)微波整流電路前端的隔直電容可以省去。

整流電路模型如圖5所示，由天線ANT、CPS傳輸線、兩個(gè)電容C1和C2、肖特基二極管D和負(fù)載RL構(gòu)成。利用二極管D的非線性特性將微波轉(zhuǎn)換成直流，輸出到負(fù)載RL，完成微波整流。天線ANT將接收的空間電磁波輻射，轉(zhuǎn)化為導(dǎo)行波傳輸給二極管D。本文提出一種簡(jiǎn)潔的CPS整流電路結(jié)構(gòu)。采用同一種特征阻抗的CPS傳輸線實(shí)現(xiàn)整流電路，線的寬度和間距保持不變，方便加工設(shè)計(jì)也簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。

圖5 CPS結(jié)構(gòu)整流電路

為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和諧波回收，整流電路引入了2個(gè)并聯(lián)電容C1和C2。電容C1和其前后的2段CPS傳輸線構(gòu)成一個(gè)傳輸線并聯(lián)電容的T型的匹配網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)天線和整流電路的匹配。C2距離二極管D約λg/4。C2形成一個(gè)微波的短路點(diǎn)，經(jīng)過(guò)λg/4轉(zhuǎn)換為開(kāi)路點(diǎn)，從而不影響二極管D的阻抗。C2實(shí)現(xiàn)直通濾波，可以將微波的基頻和諧波都反射回到二極管D進(jìn)行諧波回收利用，而只允許直流傳輸?shù)截?fù)載RL。整流電路中二極管選用HSMS-286F(Rs=6 Ω，Vbr=7 V，Vbi=0.65 V)。該二極管封裝了2個(gè)相同的二極管，但設(shè)計(jì)時(shí)僅使用了其中的一個(gè)二極管。

在ADS（advaced design system）中建立版圖模型，并將主要尺寸參數(shù)化，導(dǎo)入原理圖中進(jìn)行版圖和原理圖的聯(lián)合仿真分析。將全波電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS分析得到的天線阻抗值，替換掉ADS仿真電路中的源阻抗，其阻抗為100+j97 Ω，最終經(jīng)過(guò)迭代分析出效率最佳時(shí)的各個(gè)參數(shù)值。分析發(fā)現(xiàn)效率最佳時(shí)，C1=0和C2=100 pF，l1加上l2的長(zhǎng)度為5.5 mm，l3的長(zhǎng)度為23.5 mm。此時(shí)二極管D上基波分量比負(fù)載RL基波分量高17 dB，表明整流電路中的諧波經(jīng)過(guò)C2之后，得到有效回收。

在從單整流天線擴(kuò)展到整流天線陣列時(shí)，可將所有整流天線的輸出直接并聯(lián)或者串聯(lián)起來(lái)。由于整流電路沒(méi)有接地，不影響整流天線輸出的串聯(lián)和并聯(lián)。因此，比微帶整流電路更具有簡(jiǎn)潔和靈活的優(yōu)勢(shì)。

3 圓極化整流天線

通過(guò)優(yōu)化天線的阻抗、CPS傳輸線的阻抗和長(zhǎng)度，利用天線感性和肖特基二極管容性阻抗的匹配，可以不使用電容C1，直接實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

設(shè)計(jì)結(jié)果：CPS傳輸線的間距s和寬度w分別設(shè)置為1.7 mm和 3 mm，此時(shí)CPS傳輸線的阻抗為164 Ω。天線的阻抗為100+j97 Ω。

圖6給出了最終的整流天線模型和實(shí)物，交叉偶極子天線與CPS傳輸線直接相連，天線下方四分之一個(gè)波長(zhǎng)處添加一個(gè)金屬反射面，CPS傳輸線后用直流線連接負(fù)載。CPS傳輸線上僅使用一個(gè)二極管和一個(gè)電容，天線和電路具體的參數(shù)如前文所述，其中l(wèi)1=5.5 mm，l2=23.5 mm，電容C=100 pF。

圖6 整流天線模型和實(shí)物

4 測(cè)量結(jié)果與分析

4.1 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)如圖7所示，包括HMC-T2220微波信號(hào)發(fā)生器、微波固態(tài)放大器、2.45 GHz標(biāo)準(zhǔn)增益天線、環(huán)行器、匹配負(fù)載、定向耦合器、功率計(jì)、整流天線和直流負(fù)載等。標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線的增益為12.9 dBi，尺寸為15 cm×20 cm，根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算公式可求得該天線的遠(yuǎn)場(chǎng)距離約為1 m，因此測(cè)量系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)喇叭和整流天線的距離設(shè)置為1.6 m，滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境。

整流天線的效率為負(fù)載端的直流功率與整流天線接收的微波功率之比，其中直流功率為直流負(fù)載兩端電壓的平方和負(fù)載的比值，微波功率由Friis公式進(jìn)行計(jì)算得到。故整流天線的轉(zhuǎn)換效率計(jì)算公式可以表示為

式中：Pr為整流天線接收到的功率；Pt為喇叭天線的輻射功率；Gr標(biāo)準(zhǔn)喇叭的增益；Gt為整流天線的增益；λ為輻射電磁波的波長(zhǎng)；R為發(fā)射的喇叭天線與整流天線的距離；Vout為負(fù)載端的輸出電壓；Rlaod為直流負(fù)載值。

圖7 整流天線測(cè)試系統(tǒng)

4.2 測(cè)試結(jié)果

圖8是整流天線在給定條件下，轉(zhuǎn)換效率和輸出電壓隨輸入功率和直流負(fù)載的變化曲線。由圖可知，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)輸入功率或者負(fù)載值增大時(shí)，轉(zhuǎn)換效率會(huì)先增大后減小，輸出電壓會(huì)逐漸增大。整流天線在輸入功率為10～16 dBm，負(fù)載為100～450 Ω的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換效率均高于50%。在輸入功率為16.3 dBm，負(fù)載為250 Ω時(shí)，轉(zhuǎn)換效率最高，為71.6%。

圖8 效率和輸出電壓隨輸入功率和負(fù)載的變化

圖9給出了轉(zhuǎn)換效率隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化曲線，可知在±40°的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換效率均高于50%，但是在±90°的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換效率不如預(yù)期，這是由于巴倫的影響，整流天線的軸比相比天線產(chǎn)生了一些惡化，使得當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度增大之后，效率大幅下降。

圖9 效率和輸出電壓隨角度的變化曲線

表1給出了近幾年相關(guān)的整流天線對(duì)比，文獻(xiàn)[5], [12]均為線極化，在針對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的WPT領(lǐng)域應(yīng)用受限；相比文獻(xiàn)[13]-[14]的圓極化整流天線，本文提出的整流天線轉(zhuǎn)換效率更高。

表1 整流天線對(duì)比

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款S波段圓極化整流天線。

1)該整流天線采用交叉金屬偶極子和CPS傳輸線設(shè)計(jì)而成，具有低成本，質(zhì)量輕，半功率波束寬度寬等優(yōu)點(diǎn)。該整流天線為圓極化整流天線，能夠有效抑制因極化失配帶來(lái)的能量損失。

2)該整流天線在輸入功率為16.3 dBm和負(fù)載為250 Ω時(shí)，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)71.6%，在WPT領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值。