摘 要： 微波整流是無線輸電中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，為完成微波能量的接收，設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、整流效率高的貼片矩形微帶整流天線，此整流天線包括矩形微帶天線、輸入低通濾波器、整流二極管及輸出濾波器。該整流天線的面積小，配合其他裝置組成的微波輸電系統(tǒng)，可方便地應(yīng)用于傳統(tǒng)有線輸電無法應(yīng)用的場(chǎng)合。通過系統(tǒng)仿真以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了整流天線的可行性及其高效率，實(shí)際測(cè)量后計(jì)算出整流效率高達(dá)63.4%。
關(guān)鍵詞： 微波；無線輸電；整流天線
微波無線輸電是近幾年各機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)[1-3]。微波電能傳輸?shù)囊话氵^程是，利用射頻信號(hào)源將直流電轉(zhuǎn)換成微波信號(hào)，即DC-RF；經(jīng)過功率放大器（多級(jí)）將微波功率放大后輻射至自由空間，再由整流天線接收微波能量并整流，為負(fù)載提供直流電能。無線輸電的原理與微波傳送信號(hào)是相通的，如果使用微波傳送能量就必須要有將微波整流為直流的器件，故整流天線應(yīng)運(yùn)而生并成為微波輸電的關(guān)鍵技術(shù)[4]。
微帶整流天線由整流電路、濾波器、微帶天線組成，這種接收天線與整流電路相結(jié)合，用來將微波轉(zhuǎn)換為直流電平的技術(shù)通常稱為整流天線技術(shù)[5]。微帶天線是最近30多年來逐漸發(fā)展起來的一類新型天線，因其體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于射頻微波通信接收系統(tǒng)及其他無線電系統(tǒng)中?，F(xiàn)階段整流電路模型一般有半橋、全橋等整流模型，但是實(shí)際應(yīng)用中，單個(gè)二極管的整流模式被認(rèn)為是最簡(jiǎn)單、最有效、最經(jīng)濟(jì)的整流模式。本文首先介紹了微帶整流天線的原理及結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上依次完成了微帶整流天線系統(tǒng)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)，最終對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真與測(cè)試，得到了較為理想的效果。
1 微帶整流天線原理及結(jié)構(gòu)
如果將接收天線等效為內(nèi)阻為Rs的電壓源Vs，則加入輸入濾波器與輸出濾波器，使用單個(gè)理想整流二極管并聯(lián)的閉環(huán)整流天線電路模型如圖1所示[6]。
在整流電路中需要加入濾波器來消除非線性元件(整流二極管)產(chǎn)生的高次雜波對(duì)電路的影響。而濾波器的設(shè)計(jì)并不是簡(jiǎn)單的通基波、阻諧波，這種方法效率低，且很大一部分微波能量變成熱量散發(fā)出去。
所以，為提高整流效率，本文采用新式微帶整流天線設(shè)計(jì)方法，輸入濾波器截止高次奇次諧波，允許基波與偶次諧波通過，輸出濾波器允許直流和偶次諧波通過，截止基波與高次奇次諧波，因?yàn)榕即沃C波在負(fù)載上做功為零，所以輸出濾波器允許偶次諧波通過不會(huì)對(duì)負(fù)載產(chǎn)生不良影響[7]。
2.2 整流二極管及匹配電路設(shè)計(jì)
本文使用的二極管型號(hào)為HSMS-282B，SOT323封裝，二極管的最大反向電壓為15 V，首先對(duì)二極管進(jìn)行掃描，確定在要求的輸入功率下二極管反向電壓不會(huì)超過15 V。使用諧波平衡控件HB、大信號(hào)仿真控件LSSP及參數(shù)掃描控件PARAMETER SWEEP對(duì)二極管的電壓—功率掃描，負(fù)載為300Ω，掃描結(jié)果圖如圖3所示。結(jié)果顯示輸入功率Pin在-4 dBm～2 dBm時(shí)，二極管側(cè)最大反向電壓為0.305～0.475 V左右，滿足器件要求，同時(shí)由Zin1=Zin(S11，PortZ1)計(jì)算出Pin=-4 dBm時(shí)系統(tǒng)的輸入阻抗為Zin=(46.633-j244.508) Ω，需要對(duì)其進(jìn)行阻抗匹配。
2.3 輸入低通濾波器設(shè)計(jì)
使用微帶線可以構(gòu)成的濾波器有很多結(jié)構(gòu)，包括高低阻抗濾波器、交指線濾波器、端耦合微帶諧振濾波器、平行耦合微帶線濾波器、發(fā)卡式濾波器、梳狀線濾波器等，本文將采用簡(jiǎn)單的高低阻抗方式設(shè)計(jì)低通濾波器，原理圖中兩個(gè)Term端口的特性阻抗均為理想的50 ?贅。設(shè)計(jì)低通濾波器時(shí)使用的微帶線較多，對(duì)此類的原理圖設(shè)計(jì)，使用目標(biāo)函數(shù)控件OPTIM及3個(gè)GOAL控件來實(shí)時(shí)調(diào)整各段微帶線長(zhǎng)度，以滿足本文對(duì)低通濾波器的設(shè)計(jì)要求。經(jīng)500次優(yōu)化協(xié)調(diào)后，可得頻率為2.45 GHz時(shí)dB(S(1，1))=-29.682，dB(S(2，1))=0；頻率為4.05 GHz時(shí)dB(S(1，1))=0，dB(S(2，1))=-12.747，均滿足設(shè)計(jì)要求。
2.4 整流天線系統(tǒng)仿真及版圖制作
在設(shè)計(jì)完成微帶接收天線、輸入濾波器、二極管整流電路、輸出濾波器之后，需要進(jìn)行整流天線的整體仿真與分析。由原理圖仿真結(jié)果可知Pin=-5 dBm時(shí)，S(1,1)=-35.999 dB，輸入阻抗Zin=Z0×（0.972+j0.014）Ω=（48.6+j0.7）Ω，根據(jù)匹配好的原理圖來設(shè)計(jì)PCB版圖，使用ADS2009特殊功能原理圖與版圖仿真所得結(jié)果如圖5所示。
3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
出于對(duì)電路板性能的考量，沒有在電路板上鍍錫或者阻焊層，為了測(cè)試方便，在整流天線末端加入了一個(gè)插針作為直流輸出引腳，在整流天線背面焊接一個(gè)插針作為接地引腳。
微帶整流天線系統(tǒng)的測(cè)試使用的器件有：臺(tái)式電腦一臺(tái)、MSP430最小系統(tǒng)（信號(hào)源控制電路）、ADF4360射頻信號(hào)源、驅(qū)動(dòng)級(jí)功率放大器模塊(將功率放大至20 dBm)、矩形喇叭發(fā)射天線、整流天線模塊、300 Ω負(fù)載、固緯雙通道直流電壓源GPS-2303C、固緯頻譜分析儀GSP-827及其附件、標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形天線、同軸線纜及轉(zhuǎn)接頭、萬用表等。在測(cè)試中，改變整流天線與喇叭天線的距離，尋找負(fù)載的最大電壓值，即發(fā)射的功率與整流天線的最佳匹配值。在距離喇叭天線大約10 cm的地方放置整流天線，用萬用表測(cè)量負(fù)載最大直流電壓為0.325 V，由遠(yuǎn)區(qū)傳輸?shù)母道锼构降茫?br />
測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的整流天線在小功率微波電能傳輸系統(tǒng)中是可行的、成功的，且整流天線具有較高的效率，最大為63.4%，對(duì)于微波輸電研究具有積極的實(shí)驗(yàn)意義。微波輸電系統(tǒng)充分利用了電磁場(chǎng)與電磁波理論，結(jié)合實(shí)際需求與應(yīng)用，擯棄傳統(tǒng)的有線傳輸方式，為電能傳輸提供了一種全新的、無線的方式，可應(yīng)用于管道機(jī)器人、太陽能衛(wèi)星輸電、新能源汽車充電等環(huán)境。而作為微波系統(tǒng)中不可或缺的一部分，本文關(guān)于矩形微帶整流天線的研究為未來增加微波功率、提高微波整流效率打下了堅(jiān)實(shí)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
[1] 王秩雄，胡勁蕾，梁俊，等.無線輸電技術(shù)的應(yīng)用前景[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，4(1)：82-85.
[2] 胡大璋，周兆先.微波輸送電能的新技術(shù)[J].電子科技導(dǎo)報(bào)，1996(12)：1-4.
[3] 楊成英，陳勇.中程距離無線輸電的實(shí)現(xiàn)[J].科技信息，2009(3)：410-411.
[4] 楊雪霞.微波輸能技術(shù)概述與整流天線研究新進(jìn)展[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24(4)：770-779.
[5] 鄧紅雷，孔力.一種實(shí)用線極化矩形微帶貼片接收整流天線的仿真設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào)，2004，20(4)：68-71，89.
[6] 池玉友，許建軍，秦占豪.整流天線技術(shù)及應(yīng)用[J].電子信息對(duì)抗技術(shù)，2007，22(4)：29-31.
[7] 張雪松，朱超甫，顧頤.使用微帶天線進(jìn)行近距離能量傳遞[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25(6)：587-590.