趙艷 陳星

四川大學電子信息學院，四川成都 610065

0 前言

微波功率傳輸（Microwave Power Transmission，MPT）技術，即在不使用電線或電纜的情況下，通過微波束在自由空間傳輸功率，該技術近年來成為了研究的熱點。在無線通信網(wǎng)絡技術迅猛發(fā)展的今天，微波無線能量傳輸技術正成為射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、無線傳感器等電子設備最有前景的輸能方式之一。將從自由空間中接收到的微波功率轉換成為直流功率進行輸出的微波無線能量傳輸接收子系統(tǒng)起著至關重要的作用。與此同時，微波無線傳能（Microwave Wireless Power Transmission，MWPT）技術已成為了研究的熱點[1-4]。因此，接收子系統(tǒng)對于微波能量傳輸系統(tǒng)效率有至關重要的影響[5-7]。

微帶天線是汽車雷達和通信系統(tǒng)的一個很好的候選天線，它具有外形小、重量輕、制造簡單、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，是微波無線功率傳輸接收系統(tǒng)的理想選擇，可以滿足整流天線在實際應用時應具備的高口徑效率、低剖面、高增益等特性。本文介紹了一個完整而有效的設計流程，該流程針對無人機等移動目標應用領域，提出了一種印刷在單層基板上的輕薄微帶整流天線。該天線通過在傳統(tǒng)微帶矩形貼片周圍加載寄生單元的方法來增加電流流動路徑，有效改善了傳統(tǒng)微帶天線存在的帶寬較窄的問題。天線制作于厚度僅0.254 mm（0.008λ0）的F4B-2介質基板（εr=2.65）上，并對該天線單元進行4×4組陣設計，最終設計出一款以10 GHz為中心頻點，相對帶寬為4.8%的陣列天線。整流電路制作于厚度為0.254 mm的羅杰斯RT5880介質基板上，為節(jié)省SMA接頭等微波插件的使用，在天線金屬地背面通過金屬化過孔將整流電路直接集成上去，較大程度上減輕了天線的重量，適用于對于載重具有嚴苛要求的無人機等移動目標實際應用場景中。

1 接收天線結構設計與測試

1.1 天線結構設計

傳統(tǒng)微帶天線存在帶寬較窄的缺點，不利于整流天線的實際工程應用。為克服傳統(tǒng)微帶天線帶寬狹窄的難題，本次設計在天線單元主輻射貼片周圍排布了8個大小不同的寄生單元，增加電流流動路徑，減小天線尺寸，增加天線諧振點以達到展寬帶寬的目的。4×4組陣設計后的天線陣列結構示意圖如圖1所示，該天線陣列制作于F4B-2介質基板上（εr=2.65，h=0.254 mm），天線陣列整體結構具體尺寸參數(shù)如表1所示，天線的│S11│和│S21│仿真特性曲線如圖2所示。結果表明，天線│S11│＜-10 dB阻抗帶寬達到4.8%，并且在10 GHz處，天線極化隔離度達到-24 dB。

表1 天線結構參數(shù) （單位：mm）

1.2 天線性能測試

圖3、圖4分別是加工制作的天線陣列樣品及│S11│和│S21│仿真實測特性曲線對比圖。測試表明，陣列天線端口實測在9.82 GHz～10.3 GHz頻段，相對帶寬為4.8%以上，天線的中心頻點位于10 GHz處，實測S參數(shù)與仿真結果基本一致。天線在頻點10 GHz處的實測極化隔離度為-24 dB，與傳統(tǒng)的微帶天線相比較而言，該天線具有寬帶特性，且天線結構簡單，具有良好的工程實用性。

當天線陣列只饋電其中一個單元，其他的端口接50 Ω負載時，在10 GHz頻點處的實測方向圖如圖5所示。結果表明，天線方向圖最大增益為10.2 dBi，天線實測增益值同仿真基本一致，天線的口徑效率為81.2%。

2 整流電路分析

自20世紀60年代為解決全球能源危機而提出太陽能衛(wèi)星計劃以來，微波功率傳輸技術得到了發(fā)展。整流天線用于將微波功率轉換為直流功率，是MPT系統(tǒng)的關鍵部件之一。其中，整流電路一般由一個整流二極管、一個輸入輸出匹配網(wǎng)絡、一個帶通或低通濾波器和一個直流通濾波器組成。整流電路的設計主要是依靠二極管的單向單通特性來實現(xiàn)從交流到直流的轉換[8-10]，本次涉及的10 GHz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MA4E1317，10 GHz整流電路如圖6所示。ADS仿真設計結果表明，當整流天線接收到18 dBm時，整流電路的整流效率最高可達到70%。

3 整流天線測試與分析

整流電路和接收天線合稱為整流天線，天線制作于0.254 mm厚度的F4B-2介質基板上，采用同軸饋電實現(xiàn)線極化特性。整流電路制作于厚度為0.254 mm的羅杰斯RT5880介質基板上，并通過金屬化過孔直接集成在接收天線的介質基板背面，最大限度降低電路對整流天線的影響。圖7所示是整流天線加工實物圖，為了合理地排布天線背面的整流電路，在實際加工時對整流電路的介質基板進行了部分削減。

該整流天線工作于10 GHz，在實際測試時，標準發(fā)射喇叭天線與待測的整流天線間距為R，在實測時，要求R大于待測天線的遠場距離。已知遠場距離計算公式為：

其中，Rf為接收天線與標準發(fā)射天線的遠場距離；D為標準喇叭天線的口徑尺寸；λ為在10 GHz頻點處的波長。

計算得出，該喇叭天線遠場距離為0.2 m，在微波暗室中將整流天線置于1 m的輻射場區(qū)進行測試。然后對微波源進行頻率以及輸出功率設置，對功率計進行校準并設置偏置，功率計實時監(jiān)測微波源的輸出功率Pt。已知整流天線的接收功率及直流轉換效率公式為：

其中，Pr為整流天線的接收功率；Pt為微波信號源的輸出功率；Gt為標準喇叭天線的增益；Gr為接收天線的增益；R是標準發(fā)射喇叭天線與待測整流天線間距。

其中，η為整流天線的直流轉換效率；PDC為經(jīng)過整流后的直流功率；PD為微波信號源的輸出功率。

整流天線轉換效率測試結果如圖8所示，測試結果表明，當整流天線最佳匹配負載為900 Ω，并且整流天線接收到16 dBm功率時，直流轉換效率為62%。

4 結束語

本文針對無人機等應用領域的整流天線進行設計及研究，設計了一款4×4的輕薄微帶天線陣列，加工并實測了其性能，結果表明，該天線具有良好的反射系數(shù)以及方向圖。實測的端口的│S11│工作頻段都包含9.82 GHz～10.3 GHz，相對帶寬都在4.8%以上，天線中心頻點位于10 GHz處，方向圖測試同仿真結果基本一致。整流電路通過金屬化過孔直接集成于天線介質基板背面，大幅度減輕了天線的質量。實驗測試結果表明，當整流天線接收功率為16 dBm時，整流天線的直流轉換效率最高達到62%。此整流天線的天線剖面厚度為0.254 mm，全重僅36 g，具有結構簡單、低剖面、寬頻帶、高整流效率等優(yōu)點，適合于負載有限的無人機等飛行器使用。