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1、一种2.45GHz实用整流天线设计赵 鹏 杨 春(中国工程物理研究院电子工程研究所，绵阳 621900)1 摘 要：微波传能系统研究中有两个重点：高效性和安全性。整流天线为微波传能的重要组成部分，本文提出采用两个单元的梳状贴片天线阵作为基本的天线单元形式，与现在文献中普遍采用的矩形贴片形式相比，增益更高，阵列扩展容易，馈电网络简单，适应性强，能够在照射功率密度较低的情况下，通过阵列的扩展，达到所需的增益，对实现微波传能系统的高效和安全的工作具有更广泛的实际意义。关键词：整流天线，梳状天线Design of a Practical Microstrip Patch RectennaZhao Pe
2、ng, Yang Chun(Institute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering and Physics, Mianyang 621900)Abstract: In the system of wireless power transmission（WPT）, there are two important characteristics: high conversion efficiency and good safety. One crucial part of the system is the rectenn
3、a. In this paper, we proposed the comb-antenna as the receive antenna, differently from the common microstrip patch antenna. The rectenna has the following advantages: the higher gain, easy expansion and feed network of the antenna array and so on. In the condition of the low power density of the ra
4、diation, this rectenna can be fast designed to satisfy the gain criterion. It is very practical in the application of the WPT system .Keywords: rectenna; comb-antenna1 引言上世纪60年代初美国人W.C.Brown首先提出了微波无线能量传输（WPT）的概念，即以微波为载体在自由空间中无线传输大功率电磁能量1。1968年美国人P.E.Glaser在此概念上提出了卫星太阳能电站（SSPS）的概念，即在地球同步轨道上的卫星把接收到的太阳
5、能转换为电磁能，用大功率微波天线定向发射回地面，地面接收整流天线系统将接收到的能量转换为直流电，从而实现太阳能发电的功能2。微波传能系统研究中有两个重点，即高效性和安全性，这两点都与接收天线的增益有关，较高的增益可以降低对地面照射的功率密度的要求，提高系统的安全性和转换效率。目前，国内外文章都将转换效率作为整流天线研究的主要方向，并没有从提高安全性能的方面进行考虑。本文用梳状天线作为整流天线的接收天线形式，从提高安全性能的角度提供一种新的思路。2 整流天线的设计整流天线作为微波无线能量传输的重要组成部分之一，起着将空间传播的射频能量转换为直流的作用。它由接收天线、滤波电路和整流电路三个部分构成
6、（如下图1）。图1 整流天线结构示意图2.1 接收天线的设计接收天线作为整流天线接收能量的部分，决定着整流天线的实际整流效率。天线不仅应与后端的低通输入滤波器输入端口匹配，而且需要提供较高的增益和效率。本文采用梳状天线作为该系统的接收天线部分。用梳状天线作为整流天线的天线部分，较普通贴片天线相比，组阵更加容易，在照射功率达不到系统的最优照射功率密度时，梳状天线易于实现较大的天线阵列以便提供足够的增益，来满足后端整流电路达到最大转换效率时的输入功率条件。本文中，选取两个单元的梳状天线阵作为该接收天线的基本单元形式，基片为聚四氟乙烯双面覆铜板，介电常数为2.55，厚度为1.5mm，天线的工作频率为
7、2.45GHz。根据仿真结果，天线的增益7.1dB。下图2列出了仿真模型及S参数。图2 梳状天线仿真模型及S参数2.2 输入低通滤波器设计输入低通滤波器实现两个功能：第一，实现天线与二极管后端电路的阻抗匹配，第二，使基波（2.45GHz）无损耗通过，反射后端由非线性原件二极管产生的高次谐波。本设计采用阶跃阻抗滤波器来实现低通功能。通过设计，下图3列出了最终确定的滤波器仿真模型及参数：图3 滤波器仿真模型及S参数2.3 整流电路的设计2.3.1 整流电路的理论分析二极管是决定转换效率的关键因素3。影响二极管转换效率的最重要的参数是寄生结电容和串联电阻。整流电路模型如下图4所示：图4 整流电路模型
8、示意图二极管的射频-直流转换效率4表达式如下： （1）其中， （2） （3） （4）为输出直流电压，为直流负载，为整流二极管的串联电阻，为二极管的内建电压，为二极管导通角，由下式导出 （5） （6）为零偏置结电容，从公式(5)及(6),(3)可以看出，整流二极管的接触电阻和越小，由公式(1)导出的整流天线的转换效率越高。所以,二极管的和是影响二极管整流效率的关键因素。在选用二极管的时候，应选择和比较小的管子。根据对国内二极管的型号调研，选择Agilent HSMS 282C势垒二极管，SOT-323封装，二极管的主要SPICE参数：最大反向电压=15V，寄生结电容=0.35pF，串联电阻=12
9、。根据公式（1），下图5给出了一个以负载电阻（欧姆）为自变量的二极管的理论转换效率：图5 二极管理论转换效率2.3.2 整流电路（含低通滤波）的仿真整流天线系统的仿真电路图如下图6所示，在仿真时加入了隔直滤波器防止直流返回信号源。输入低通滤波器与二极管后端之间用匹配电路进行阻抗匹配，直流输出滤波器采用的是四分之一波长微带线和一个电容组成5。图6 整流电路仿真电路图图7 整流电路仿真结果从上图7中可以看出在负载电阻等于800ohm时，效率相对最高。当二极管的反向电压小于，最大承受的输入功率为300mW（输入到系统的功率为280mW，信号源内阻吸收的功率为20mW），此时，负载得到的直流功率为19
10、1mW，此时效率最高68.5%。3 整流天线的实测结果3.1 天线单元和滤波器分该天线单元的实物图如图8，经测试，天线在2.45GHz处，驻波小于1.5，增益8.1dB。滤波器的实物图如图9所示，在2.45GHz处差损为-0.24dB。图8 梳状天线实物图图9 滤波器实物图及S参数3.2 整流电路整流电路实物图（图10左）和实测转换效率曲线（图10右）如下图所示。从实测转换效率图上可以看出，该整流电路的转换效率高于60%。图10 整流电路实物图及实测转换效率4 结论本文设计了一种实用的整流天线，它采用梳状天线作为接收天线的基本形式，实测转换效率大于60%。这种整流天线形式不仅有一般微带整流电路
11、的加工简单，重量轻等方面的优势，而且具有梳状天线的馈电网络简单，易于扩展，能够根据不同的工作应用场合提供整流天线实现最高效率所需要的增益。本文所测试的转换效率只是整流电路（含低通滤波器）的效率，接下来的进一步工作是将整流天线进行整体测试。参 考 文 献1Brown W.C. The history of wireless power transmission. /Solar Energy. 1996-. 56(1): pp. 3-21.2Glaser P.E. Power from the sun; its future. /Science. - 1968-. 162(3856): pp.85
12、7-861.3T. Yoo and K. Chang， Theoretical and experimental development of 10 and 35 GHz rectennas， IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， vol. 40， no. 6， pp. 1259-1266， June 1992.4James O. McSpadden，Lu Fan， and Kai Chang，Design and Experiments of a High- Conversion- Efficiency 5.8 GHz R
13、ectenna J.IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES. VOL. 46，NO. 12， DECEMBER 1998:2053-20595邓红雷，孔力. 高效率微波输电微带贴片接收整流天线的研究与设计. 太阳能学报J,2006年2月第六期作者简介：赵鹏，男，硕士，主要研究领域为天线技术等；杨春，男，博士，主要研究领域为微波与天线技术等。新型弹载宽频背腔菱形微带天线的研究和实践任冬梅 庄 馗 (中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳621900)摘 要：提出了一种新型的弹载微带天线背腔菱形微带天线，推导了天线的阻抗特性。仿
14、真和测试结果表明，该天线驻波带宽（SWR小于2）有9%，为常规设计的3倍。E面波束宽度达110度，H面波束宽度46度，增益8.2dB，交叉极化为-15dB。天线剖面很低，不足工作波长的3%。整个工作频段内辐射特性稳定，适合作为弹载引信、测控天线。关键词：弹载天线 微带天线 低剖面 宽频Research and practice of a novel wide-band cavity-backed diamond microstrip antenna on missiles Ren Dong mei Zhuang Kui(Institute of Electronic Engineering,
15、China Academy of Engineering Physicals, Mianyang Sichuan 621900)Abstract: In this paper, a novel microstrip antenna on missiles, cavity-backed diamond microstrip antenna is described, whose input impedance is inducted. Simulation and test results prove that the antenna has 9% bandwidth (vswr less than 2), three times of commonly designs. The 3dB beam-width is 110 degree in E-plane and 46 degree in H-plane, the gain and cross-polarization level is separately 8.2 dB and -15 dB. The antennas profile is very low less than 3%
