2014宽带圆极化整流天线研究
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论文答辩日期
2014.05 2014 年 6 月 27 日
学位授予单位和日期 答辩委员会主席 评阅人
电子科技大学
注 1：注明《国际十进分类法 UDC》的类号。
RESEARCH ON BROADBAND CIRCULARLY POLARIZED RECTENNAS
A Master Thesis Submitted to University of Electronic Science and Technology of China
Major: Author: Advisor: School:
Electronics and Communication Engineering Lianliang Hao Xuesong Yang School of Physical Electronics
独 创 性 声 明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。
电 子 科 技 大 学
UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA
专业学位硕士学位论文
MASTER THESIS FOR PROFESSIONAL DEGREE
论文题目
宽带圆极化整流天线研究
专业学位类别 学 作 指 者 导 姓 教 号 名 师
III
目录
目录
第一章 绪论 .....................................................................................................................1 1.1 研究的背景及意义 ............................................................................................1 1.2 整流天线研究现状 ............................................................................................2 1.2.1 线极化整流天线的研究现状 ....................................................................3 1.2.2 圆极化整流天线研究现状 ........................................................................5 1.3 本论文的工作内容及创新点 ............................................................................7 第二章 整流天线基本理论 .............................................................................................9 2.1 微带天线原理及天线圆极化原理 ....................................................................9 2.1.1 微带天线定义和结构 ................................................................................9 2.1.2 微带天线的分析方法 ..............................................................................10 2.1.3 圆极化理论 .............................................................................................. 11 2.2 整流电路原理 ....................................................................................................14 2.2.1 整流电路结构 ..........................................................................................14 2.2.2 整流二极管原理 ......................................................................................15 2.3 滤波器基本原理 ................................................................................................20 2.4 本章小结 ............................................................................................................21 第三章 宽带圆极化天线设计 .......................................................................................22 3.1 双频宽带圆极化设计 ........................................................................................22 3.1.1 天线的结构参数 ......................................................................................22 3.1.2 天线的参数分析 ......................................................................................24 3.2 共面波导馈电的宽带圆极化天线 ....................................................................29 3.2.1 天线的结构参数及设计思路 ..................................................................29 3.2.2 天线的参数分析 ......................................................................................33 3.3 本章小结 ............................................................................................................39 第四章 宽带整流电路设计 ...........................................................................................41 4.1 宽带整流电路设计 ............................................................................................41 4.1.1 一级滤波器设计 ......................................................................................41 4.1.2 二极管整流器 ..........................................................................................43 4.1.3 二级滤波器设计 .......................................................................................44 4.2 宽带整流电路参数 .............................................................................................46
II
ABSTRACT
working band of 1.90 GHz-2.50 GHz. Chapter V presents the co-simulation of the antenna and the rectifier circuit, and the two parts are connected to optimize the parameters to achieve good performance. In Chapter VI, the thesis is summarized and the future prospects of the subject are presented. Keywords: Broadband circularly polarized rectenna, dual-band circularly polarized antenna, wideband circularly polarized antenna, broadband rectifier circuit
I
ABSTRACT
ABSTRACT
Microwave power transmission (MPT) technology, which brings a profound impact on human life, has got a lot of attention recently. As the core device of the MPT, the design of rectennas is vital for the development of MPT. Most studies of the rectennas have focused on the linearly polarized rectennas and narrow band rectennas. However, the narrow band rectenna is bandwidth limited, thus restricting its applications; and linearly polarized rectenna needs polarization aligned when receiving electromagnetic waves, thus limiting its placement location. Therefore the design of broadband and circularly polarized rectennas has important significance for the MPT. This thesis introduces the research on broadband circularly polarized rectennas. Two antennas with wideband and good circular polarization characteristics, and a wideband rectifying circuit with higher conversion efficiency, are designed, with which a wideband circularly polarized rectenna with good performance is constituted. The circular polarization bandwidth of the rectenna is from 1.9 GHz to 2.5 GHz, and the conversion efficiency is higher than 43%, up to 63%. The following contents are included in this thesis. The first chapter introduces the background and significance of the rectennas, and the significance and the status of the research on broadband circularly polarized rectennas. The second chapter gives the theoretical knowledge of rectennas, including the basic principles of microstrip antennas, the circular polarization, the filters and the analysis of rectifier diodes. The third chapter presents two broadband circularly polarized antennas. The one is a dual-broadband circularly polarized antenna which is realized with mode analysis, working in the dual-band of 2.00 GHz-2.65 GHz and 5.48 GHz-6.00 GHz, and another is a CPW-fed broadband circularly polarized antenna which is based on the out-field interfering method, with the bandwidth exceeding 1 GHz and the center frequency at 2.35 GHz. The fourth chapter introduces the design of a broadband rectifier circuit. A Schottky diode HSMS8101 and the half-wave rectification are adopted to form the rectifier circuit, which has a wideband microwave rectification function and a best
作者签名：
日期：
年
月
日
论 文 使 用 授 权
本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、 使用学位ຫໍສະໝຸດ Baidu文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定）
作者签名：
导师签名： 日期： 年 月 日
摘要
摘
要
微波能量传输技术对于人类生活有着深远的影响，近年来备受人们关注。整 流天线则是微波能量传输中的核心器件，其研究对于微波能量传输技术的发展是 至关重要的。目前研究的大多数整流天线只能在较窄的频段内工作，而且许多是 线极化整流天线。窄带整流天线的工作频带受限，使得其应用场合比较单一；而 线极化整流天线在接收电磁波时需要极化对准，使得其摆放位置受限。因此实现 宽带圆极化整流天线对于微波输能技术而言有着重要的意义。 本论文主要研究具有宽带特性的圆极化整流天线，最终设计出两种具有较宽 频带、良好圆极化特性的天线结构，以及一种具有较高效率的宽带整流电路结构， 并用它们设计了一个性能优良的宽带圆极化整流天线。该整流天线的圆极化工作 频段为 1.9 GHz —2.5 GHz，整流效率超过 43%，最高可达 63.8%。本论文主要包 括以下内容。 第一章主要介绍了整流天线研究的背景和意义，并进一步阐述了宽带圆极化 整流天线研究的意义以及整流天线目前的发展现状。 第二章介绍了本论文中主要应用的背景知识。主要介绍了微带天线的基本原 理、圆极化原理、整流二极管分析以及滤波器原理。 第三章介绍了两款宽带圆极化天线的设计。其中一款是采用模式分析法设计 的双频宽带圆极化天线，圆极化工作带宽在 2.00 GHz-2.65 GHz 和 5.48 GHz-6.00 GHz。另一款是利用创新的外场干扰法理念设计的共面波导馈电的宽带圆极化天 线，对其进行了仿真和测量，仿真的绝对带宽超过 1 GHz，中心频率为 2.35 GHz。 第四章设计了一种宽带整流电路。该电路采用主要器件为肖特基二极管 HSMS8101，整流形式为半波整流。二级滤波器采用低通滤波器代替传统形式的 1/4 波长阻抗线阻断高次谐波， 可以有效抵制高次谐波分量， 实现电路的宽带整流， 最佳工作频段覆盖 1.90 GHz-2.50 GHz。 第五章将整流天线的天线和电路进行了联合仿真，将二者连接到一起进行参 数优化，以达到最好的设计效果。 第六章对本论文进行了总结，并提出了下一步研究的展望。 关键词：宽带圆极化整流天线，双频圆极化天线，宽带圆极化天线，宽带整流电 路
工
程
硕
士
201122040426 蒿连亮 杨雪松 副教授
分类号 UDC 注 1
密级
学
位
论
文
宽带圆极化整流天线研究
（题名和副题名）
蒿连亮
（作者姓名）
指导教师
杨雪松 电子科技大学
副教授 成都
（姓名、职称、单位名称）
申请学位级别 工程领域名称 提交论文日期
硕士
专业学位类别
工程硕士
电子与通信工程 2014.04
2014.05 2014 年 6 月 27 日
学位授予单位和日期 答辩委员会主席 评阅人
电子科技大学
注 1：注明《国际十进分类法 UDC》的类号。
RESEARCH ON BROADBAND CIRCULARLY POLARIZED RECTENNAS
A Master Thesis Submitted to University of Electronic Science and Technology of China
Major: Author: Advisor: School:
Electronics and Communication Engineering Lianliang Hao Xuesong Yang School of Physical Electronics
独 创 性 声 明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。
电 子 科 技 大 学
UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA
专业学位硕士学位论文
MASTER THESIS FOR PROFESSIONAL DEGREE
论文题目
宽带圆极化整流天线研究
专业学位类别 学 作 指 者 导 姓 教 号 名 师
III
目录
目录
第一章 绪论 .....................................................................................................................1 1.1 研究的背景及意义 ............................................................................................1 1.2 整流天线研究现状 ............................................................................................2 1.2.1 线极化整流天线的研究现状 ....................................................................3 1.2.2 圆极化整流天线研究现状 ........................................................................5 1.3 本论文的工作内容及创新点 ............................................................................7 第二章 整流天线基本理论 .............................................................................................9 2.1 微带天线原理及天线圆极化原理 ....................................................................9 2.1.1 微带天线定义和结构 ................................................................................9 2.1.2 微带天线的分析方法 ..............................................................................10 2.1.3 圆极化理论 .............................................................................................. 11 2.2 整流电路原理 ....................................................................................................14 2.2.1 整流电路结构 ..........................................................................................14 2.2.2 整流二极管原理 ......................................................................................15 2.3 滤波器基本原理 ................................................................................................20 2.4 本章小结 ............................................................................................................21 第三章 宽带圆极化天线设计 .......................................................................................22 3.1 双频宽带圆极化设计 ........................................................................................22 3.1.1 天线的结构参数 ......................................................................................22 3.1.2 天线的参数分析 ......................................................................................24 3.2 共面波导馈电的宽带圆极化天线 ....................................................................29 3.2.1 天线的结构参数及设计思路 ..................................................................29 3.2.2 天线的参数分析 ......................................................................................33 3.3 本章小结 ............................................................................................................39 第四章 宽带整流电路设计 ...........................................................................................41 4.1 宽带整流电路设计 ............................................................................................41 4.1.1 一级滤波器设计 ......................................................................................41 4.1.2 二极管整流器 ..........................................................................................43 4.1.3 二级滤波器设计 .......................................................................................44 4.2 宽带整流电路参数 .............................................................................................46
II
ABSTRACT
working band of 1.90 GHz-2.50 GHz. Chapter V presents the co-simulation of the antenna and the rectifier circuit, and the two parts are connected to optimize the parameters to achieve good performance. In Chapter VI, the thesis is summarized and the future prospects of the subject are presented. Keywords: Broadband circularly polarized rectenna, dual-band circularly polarized antenna, wideband circularly polarized antenna, broadband rectifier circuit
I
ABSTRACT
ABSTRACT
Microwave power transmission (MPT) technology, which brings a profound impact on human life, has got a lot of attention recently. As the core device of the MPT, the design of rectennas is vital for the development of MPT. Most studies of the rectennas have focused on the linearly polarized rectennas and narrow band rectennas. However, the narrow band rectenna is bandwidth limited, thus restricting its applications; and linearly polarized rectenna needs polarization aligned when receiving electromagnetic waves, thus limiting its placement location. Therefore the design of broadband and circularly polarized rectennas has important significance for the MPT. This thesis introduces the research on broadband circularly polarized rectennas. Two antennas with wideband and good circular polarization characteristics, and a wideband rectifying circuit with higher conversion efficiency, are designed, with which a wideband circularly polarized rectenna with good performance is constituted. The circular polarization bandwidth of the rectenna is from 1.9 GHz to 2.5 GHz, and the conversion efficiency is higher than 43%, up to 63%. The following contents are included in this thesis. The first chapter introduces the background and significance of the rectennas, and the significance and the status of the research on broadband circularly polarized rectennas. The second chapter gives the theoretical knowledge of rectennas, including the basic principles of microstrip antennas, the circular polarization, the filters and the analysis of rectifier diodes. The third chapter presents two broadband circularly polarized antennas. The one is a dual-broadband circularly polarized antenna which is realized with mode analysis, working in the dual-band of 2.00 GHz-2.65 GHz and 5.48 GHz-6.00 GHz, and another is a CPW-fed broadband circularly polarized antenna which is based on the out-field interfering method, with the bandwidth exceeding 1 GHz and the center frequency at 2.35 GHz. The fourth chapter introduces the design of a broadband rectifier circuit. A Schottky diode HSMS8101 and the half-wave rectification are adopted to form the rectifier circuit, which has a wideband microwave rectification function and a best
作者签名：
日期：
年
月
日
论 文 使 用 授 权
本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、 使用学位ຫໍສະໝຸດ Baidu文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定）
作者签名：
导师签名： 日期： 年 月 日
摘要
摘
要
微波能量传输技术对于人类生活有着深远的影响，近年来备受人们关注。整 流天线则是微波能量传输中的核心器件，其研究对于微波能量传输技术的发展是 至关重要的。目前研究的大多数整流天线只能在较窄的频段内工作，而且许多是 线极化整流天线。窄带整流天线的工作频带受限，使得其应用场合比较单一；而 线极化整流天线在接收电磁波时需要极化对准，使得其摆放位置受限。因此实现 宽带圆极化整流天线对于微波输能技术而言有着重要的意义。 本论文主要研究具有宽带特性的圆极化整流天线，最终设计出两种具有较宽 频带、良好圆极化特性的天线结构，以及一种具有较高效率的宽带整流电路结构， 并用它们设计了一个性能优良的宽带圆极化整流天线。该整流天线的圆极化工作 频段为 1.9 GHz —2.5 GHz，整流效率超过 43%，最高可达 63.8%。本论文主要包 括以下内容。 第一章主要介绍了整流天线研究的背景和意义，并进一步阐述了宽带圆极化 整流天线研究的意义以及整流天线目前的发展现状。 第二章介绍了本论文中主要应用的背景知识。主要介绍了微带天线的基本原 理、圆极化原理、整流二极管分析以及滤波器原理。 第三章介绍了两款宽带圆极化天线的设计。其中一款是采用模式分析法设计 的双频宽带圆极化天线，圆极化工作带宽在 2.00 GHz-2.65 GHz 和 5.48 GHz-6.00 GHz。另一款是利用创新的外场干扰法理念设计的共面波导馈电的宽带圆极化天 线，对其进行了仿真和测量，仿真的绝对带宽超过 1 GHz，中心频率为 2.35 GHz。 第四章设计了一种宽带整流电路。该电路采用主要器件为肖特基二极管 HSMS8101，整流形式为半波整流。二级滤波器采用低通滤波器代替传统形式的 1/4 波长阻抗线阻断高次谐波， 可以有效抵制高次谐波分量， 实现电路的宽带整流， 最佳工作频段覆盖 1.90 GHz-2.50 GHz。 第五章将整流天线的天线和电路进行了联合仿真，将二者连接到一起进行参 数优化，以达到最好的设计效果。 第六章对本论文进行了总结，并提出了下一步研究的展望。 关键词：宽带圆极化整流天线，双频圆极化天线，宽带圆极化天线，宽带整流电 路
工
程
硕
士
201122040426 蒿连亮 杨雪松 副教授
分类号 UDC 注 1
密级
学
位
论
文
宽带圆极化整流天线研究
（题名和副题名）
蒿连亮
（作者姓名）
指导教师
杨雪松 电子科技大学
副教授 成都
（姓名、职称、单位名称）
申请学位级别 工程领域名称 提交论文日期
硕士
专业学位类别
工程硕士
电子与通信工程 2014.04