X波段超轻薄整流天线设计

赵艳 陈星

四川大学电子信息学院，四川成都 610065

微波功率传输（Microwave Power Transmission，MPT）技术，即在不使用电线或电缆的情况下，通过微波束在自由空间传输功率，该技术近年来成为了研究的热点。在无线通信网络技术迅猛发展的今天，微波无线能量传输技术正成为射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、无线传感器等电子设备最有前景的输能方式之一。将从自由空间中接收到的微波功率转换成为直流功率进行输出的微波无线能量传输接收子系统起着至关重要的作用。与此同时，微波无线传能（Microwave Wireless Power Transmission，MWPT）技术已成为了研究的热点[1-4]。因此，接收子系统对于微波能量传输系统效率有至关重要的影响[5-7]。

微带天线是汽车雷达和通信系统的一个很好的候选天线，它具有外形小、重量轻、制造简单、生产成本低等优点，是微波无线功率传输接收系统的理想选择，可以满足整流天线在实际应用时应具备的高口径效率、低剖面、高增益等特性。本文介绍了一个完整而有效的设计流程，该流程针对无人机等移动目标应用领域，提出了一种印刷在单层基板上的轻薄微带整流天线。该天线通过在传统微带矩形贴片周围加载寄生单元的方法来增加电流流动路径，有效改善了传统微带天线存在的带宽较窄的问题。天线制作于厚度仅0.254 mm（0.008λ0）的F4B-2介质基板（εr=2.65）上，并对该天线单元进行4×4组阵设计，最终设计出一款以10 GHz为中心频点，相对带宽为4.8%的阵列天线。整流电路制作于厚度为0.254 mm的罗杰斯RT5880介质基板上，为节省SMA接头等微波插件的使用，在天线金属地背面通过金属化过孔将整流电路直接集成上去，较大程度上减轻了天线的重量，适用于对于载重具有严苛要求的无人机等移动目标实际应用场景中。

1.1 天线结构设计

传统微带天线存在带宽较窄的缺点，不利于整流天线的实际工程应用。为克服传统微带天线带宽狭窄的难题，本次设计在天线单元主辐射贴片周围排布了8个大小不同的寄生单元，增加电流流动路径，减小天线尺寸，增加天线谐振点以达到展宽带宽的目的。4×4组阵设计后的天线阵列结构示意图如图1所示，该天线阵列制作于F4B-2介质基板上（εr=2.65，h=0.254 mm），天线阵列整体结构具体尺寸参数如表1所示，天线的│S11│和│S21│仿真特性曲线如图2所示。结果表明，天线│S11│＜-10 dB阻抗带宽达到4.8%，并且在10 GHz处，天线极化隔离度达到-24 dB。

表1 天线结构参数 （单位：mm）

1.2 天线性能测试

图3、图4分别是加工制作的天线阵列样品及│S11│和│S21│仿真实测特性曲线对比图。测试表明，阵列天线端口实测在9.82 GHz～10.3 GHz频段，相对带宽为4.8%以上，天线的中心频点位于10 GHz处，实测S参数与仿真结果基本一致。天线在频点10 GHz处的实测极化隔离度为-24 dB，与传统的微带天线相比较而言，该天线具有宽带特性，且天线结构简单，具有良好的工程实用性。

当天线阵列只馈电其中一个单元，其他的端口接50 Ω负载时，在10 GHz频点处的实测方向图如图5所示。结果表明，天线方向图最大增益为10.2 dBi，天线实测增益值同仿真基本一致，天线的口径效率为81.2%。

自20世纪60年代为解决全球能源危机而提出太阳能卫星计划以来，微波功率传输技术得到了发展。整流天线用于将微波功率转换为直流功率，是MPT系统的关键部件之一。其中，整流电路一般由一个整流二极管、一个输入输出匹配网络、一个带通或低通滤波器和一个直流通滤波器组成。整流电路的设计主要是依靠二极管的单向单通特性来实现从交流到直流的转换[8-10]，本次涉及的10 GHz整流电路主要运用于中高功率输能，故选用的整流二极管型号为MA4E1317，10 GHz整流电路如图6所示。ADS仿真设计结果表明，当整流天线接收到18 dBm时，整流电路的整流效率最高可达到70%。

整流电路和接收天线合称为整流天线，天线制作于0.254 mm厚度的F4B-2介质基板上，采用同轴馈电实现线极化特性。整流电路制作于厚度为0.254 mm的罗杰斯RT5880介质基板上，并通过金属化过孔直接集成在接收天线的介质基板背面，最大限度降低电路对整流天线的影响。图7所示是整流天线加工实物图，为了合理地排布天线背面的整流电路，在实际加工时对整流电路的介质基板进行了部分削减。

该整流天线工作于10 GHz，在实际测试时，标准发射喇叭天线与待测的整流天线间距为R，在实测时，要求R大于待测天线的远场距离。已知远场距离计算公式为：

其中，Rf为接收天线与标准发射天线的远场距离；
D为标准喇叭天线的口径尺寸；
λ为在10 GHz频点处的波长。

计算得出，该喇叭天线远场距离为0.2 m，在微波暗室中将整流天线置于1 m的辐射场区进行测试。然后对微波源进行频率以及输出功率设置，对功率计进行校准并设置偏置，功率计实时监测微波源的输出功率Pt。已知整流天线的接收功率及直流转换效率公式为：

其中，Pr为整流天线的接收功率；
Pt为微波信号源的输出功率；
Gt为标准喇叭天线的增益；
Gr为接收天线的增益；
R是标准发射喇叭天线与待测整流天线间距。

其中，η为整流天线的直流转换效率；
PDC为经过整流后的直流功率；
PD为微波信号源的输出功率。

整流天线转换效率测试结果如图8所示，测试结果表明，当整流天线最佳匹配负载为900 Ω，并且整流天线接收到16 dBm功率时，直流转换效率为62%。

本文针对无人机等应用领域的整流天线进行设计及研究，设计了一款4×4的轻薄微带天线阵列，加工并实测了其性能，结果表明，该天线具有良好的反射系数以及方向图。实测的端口的│S11│工作频段都包含9.82 GHz～10.3 GHz，相对带宽都在4.8%以上，天线中心频点位于10 GHz处，方向图测试同仿真结果基本一致。整流电路通过金属化过孔直接集成于天线介质基板背面，大幅度减轻了天线的质量。实验测试结果表明，当整流天线接收功率为16 dBm时，整流天线的直流转换效率最高达到62%。此整流天线的天线剖面厚度为0.254 mm，全重仅36 g，具有结构简单、低剖面、宽频带、高整流效率等优点，适合于负载有限的无人机等飞行器使用。

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