一款輕量化整流天線設(shè)計

夏 銘，陳 星

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

微波無線能量傳輸技術(shù)[1-2]是以微波作為能量載體從而實現(xiàn)遠距離能量傳輸?shù)陌l(fā)射與接收，其在空間太陽能電站[3-4]、可穿戴設(shè)備的無線充電、無人飛行器的能量補給[5]、偏遠地區(qū)供電等民用和特殊領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價值。作為一種新的能量傳輸方式，微波無線能量傳輸受大氣影響小，可通過波束進行高精度指向控制[6]。微波無線能量傳輸系統(tǒng)中接收端的接收天線和整流電路組成整流天線，負(fù)責(zé)將接收到的微波能量轉(zhuǎn)化為直流[7]。整流天線接收微波能量并將其轉(zhuǎn)換為直流的效率，即為微波接收整流效率。

針對微波無線傳能應(yīng)用，前人設(shè)計了種類繁多的整流天線[8-13]。文獻[10]通過將天線和整流二極管阻抗直接共軛匹配設(shè)計出一種新型的2.45 GHz整流天線,天線質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡易，具有69.3%的最高整流效率。文獻[12]提出了一款由天線陣和差分整流電路組成的5.8 GHz方向回溯微帶整流天線陣，使用1.8 mm的F4B作為介質(zhì)基板，天線雙層結(jié)構(gòu)使用介質(zhì)柱支撐，其微波接收整流效率達到70.8%。文獻[13]提出一款用金屬環(huán)加載技術(shù)的5.8 GHz整流天線，天線口徑效率為87%左右，最高微波接收整流效率為76.8%，使用探針集成整流電路和接收天線，饋電網(wǎng)絡(luò)占用面積大，天線整體質(zhì)量大。在地面向空中無人機無線傳能相關(guān)應(yīng)用中，安裝于無人機上的整流天線不僅要求有高接收整流效率，一定的功率強度，同時還要求輕量化。上述整流天線雖各有優(yōu)點，但都不適用于無人機相關(guān)領(lǐng)域的微波無線傳能應(yīng)用。

本文著重對應(yīng)用于無人機的整流天線進行設(shè)計和研究，考慮到無人機的安裝面積尺寸，對微帶縫隙天線單元進行2×3組陣，最終設(shè)計出一款輕量化的高效率5.8 GHz微波整流陣列天線。天線制作于僅0.19 mm厚度的高頻基板上，采用PMI泡沫板作為天線支撐骨架。整流電路同樣制作于0.19 mm厚度的超薄基板上，替換部分微帶線，集成在整流天線超薄基板背面，通過金屬導(dǎo)電過孔與天線金屬地連接，從而節(jié)省了SMA等微波接插件重量，大幅度地減輕了整流天線質(zhì)量。

1 微波接收天線結(jié)構(gòu)設(shè)計與測試

1.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

該天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，使用0.19 mm的Rogers5880介質(zhì)基板，介質(zhì)基板一面為開有縫隙(矩形槽)的金屬地，另外一面為天線的饋電微帶線，縫隙下方的微帶傳輸線以電磁耦合方式將射頻能量耦合至輻射金屬片，介質(zhì)基板與輻射金屬片之間的空氣采用介電常數(shù)為1.07近似于空氣的泡沫填充，輻射金屬片鑲嵌于泡沫之中，整體設(shè)計都滿足天線輕質(zhì)量特性。輻射單元連接處采用彎曲連線結(jié)構(gòu)，增加結(jié)構(gòu)突變處，增加電流流動路徑，在保證天線增益的前提下縮小天線面積，從而提高天線口徑效率，確保有限面積接收更多微波能量。

(a) 天線正面

(b) 天線背面

天線采用微帶縫隙耦合饋電方式[14-15]，測試天線性能后直接將整流電路替代一部分微帶線，實現(xiàn)天線和整流電路的集成，摒棄常規(guī)微波接插件，線纜或使用探針連接，降低加工組裝難度，提高天線緊湊性設(shè)計。天線介質(zhì)基板背后還集成了濾波電路，作為天線性能的延伸，進行太陽能、微波兩種能量復(fù)合接收，矩形輻射單元替換為太陽能薄膜電池，太陽能薄膜電池產(chǎn)生的能量從濾波電路引出。天線所開矩形槽長度為16.9 mm,寬度為0.5 mm,開在距離邊緣20.25 mm處。天線的尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 天線性能測試

(a) 天線正面

(b) 天線背面

(a) 單端口實測|S11|

(b) 單端口實測E面歸一化方向圖圖3 天線單端口實測|S11|及方向圖Fig.3 Measured | S11 | and pattern of antenna single port

2 微波整流電路設(shè)計與測試

整流電路的設(shè)計主要依靠二級管的單向?qū)ㄐ詠韺崿F(xiàn)從交流到直流的轉(zhuǎn)換，本次設(shè)計的C波段整流電路主要運用于中高功率輸能，故選用的整流二極管型號為BAT15-03W。由于二極管所產(chǎn)生的高次諧波中三次諧波的分量很小[16]，因此濾波器只包含兩個扇形枝節(jié)，電路如圖4所示，扇形結(jié)構(gòu)的兩個枝節(jié)分別濾除基頻、二次諧波，使整流電路得以輸出直流。

圖4 整流電路結(jié)構(gòu)Fig.4 Rectifier circuit structure

二極管之前的接地枝節(jié)在其呈感性的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其長度，抵消二極管在基頻上產(chǎn)生的容抗并提供了直流的接地。T-junction微帶線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)阻抗變換將阻抗實部匹配到50 Ω，為方便整流電路直接集成于天線介質(zhì)基板背面，同樣使用0.19 mm厚度的Rogers 5880作為電路介質(zhì)基板。整流電路仿真效率最高為79.61%，實際效率測試結(jié)果如圖5所示，分別對仿真最佳負(fù)載阻抗450 Ω，以及400 Ω與500 Ω三個值在不同輸入功率下對電路進行測試，最高為當(dāng)最佳輸入功率為15 dBm時，實測最高整流效率為72.9%。

圖5 效率測試圖Fig.5 Efficiency simulation and test diagram

3 整流天線的設(shè)計與測試

整流天線的兩個主要組成部分是整流電路和接收天線，整流電路和接收天線具有相同介質(zhì)基板高度0.19 mm，將整流電路取代部分微帶饋線實現(xiàn)接收天線和整流電路的共地集成，最大限度降低電路對整流天線面積的影響。在電路設(shè)計中，整流電路的輸入阻抗是50 Ω，而實際上接收天線和整流電路是頻率相關(guān)的，一定的失配將會導(dǎo)致巨大損耗，因此將接收天線和整流電路用HFSS和ADS一同聯(lián)合仿真變得尤其重要。將HFSS中模型端口阻抗導(dǎo)入到ADS，將天線阻抗作為仿真模型的輸入阻抗[17-18]，如圖6所示；這樣實現(xiàn)接收天線同整流電路的聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。S11在11.6 GHz和17.4 GHz兩個頻點處很低，良好地抑制了二次諧波與三次諧波，高次諧波無法從天線輻射出去，實現(xiàn)高次諧波的抑制，從而提高整流天線的整流效率，聯(lián)合仿真具有76.8%的整流效率。

根據(jù)聯(lián)合仿真結(jié)果設(shè)計并加工出了微波接收整流天線，整流天線實物如圖8所示，天線輻射金屬片采用激光切割，為提升天線結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，用泡沫背面開槽嵌入介質(zhì)基板。

圖6 聯(lián)合仿真圖Fig.6 Joint simulation diagram

(a) 聯(lián)合仿真反射系數(shù)圖

(b) 聯(lián)合仿真整流效率圖圖7 聯(lián)合仿真結(jié)果Fig.7 Joint simulation results

(a) 天線正面

(b) 天線背面

整流天線測試系統(tǒng)如圖9所示，該系統(tǒng)由微波源、標(biāo)準(zhǔn)喇叭發(fā)射天線、功率計、整流天線、電阻箱以及萬用表組成。喇叭天線的口徑尺寸D=126 mm，5.8 GHz頻率對應(yīng)的波長λ=51.72 mm,根據(jù)遠場的距離公式:

(1)

得到該喇叭天線遠場距離為0.61 m,為確保在遠場傳輸，此次收發(fā)天線之間的距離設(shè)置為1.3 m。將接收端整流天線和發(fā)射端喇叭天線保持于同一高度，整流天線輸出端接電阻箱作直流負(fù)載，萬用表測試電阻箱兩端電壓。單個整流電路最佳匹配負(fù)載為450 Ω，對天線整體測試時6個端口并聯(lián)再連接直流負(fù)載，此時最佳匹配負(fù)載為75 Ω。將功率計進行校準(zhǔn)，微波源頻率調(diào)至5.8 GHz，輸出微波功率調(diào)至要求的功率值，微波源輸出功率從1 W逐步增大到24 W，間隔1 W進行一次測試，通過測試數(shù)據(jù)及公式(2)～(3)即可得到微波接收轉(zhuǎn)換效率：

(2)

(3)

式中，Gt為標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線增益，Gr為接收天線增益，R為收發(fā)天線之間的距離，λ為5.8 GHz頻率下的波長，PDC為萬用表電壓和匹配負(fù)載計算出的直流功率，直流轉(zhuǎn)換效率測試結(jié)果如圖10所示，測試最高微波接收整流效率為74.3%。

圖9 轉(zhuǎn)換效率系統(tǒng)測試圖Fig.9 Conversion efficiency system test chart

圖10 轉(zhuǎn)換效率實測圖Fig.10 Measured diagram of conversion efficiency

4 結(jié)論

隨著整流天線應(yīng)用場景的日益增多，輕量化、可共形、功率容量等要求也被提出。本文著重于輕質(zhì)量，高接收整流效率、易加工易組裝、魯棒性好的特點設(shè)計了一款輕量化緊湊型整流天線陣列，該整流天線由C波段中功率整流電路和2×3微帶縫隙耦合天線陣列集成設(shè)計而成。經(jīng)實測在2.34 mw/cm2最佳輸入功率下，微波接收整流效率最大為74.3%， 能有效地應(yīng)用于質(zhì)量要求苛刻的微波無線傳能系統(tǒng)。但就極化形式、共形等特性，本文的工作尚處于初步階段，還需要進一步深入廣泛研究。