整流天线组阵等效模型分析与实验

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基于基片集成波导的正反渐变槽整流天线阵列的研究

基于基片集成波导的正反渐变槽整流天线阵列的研究何繁繁，洪伟，吴柯，汤红军，陈继新（东南大学信息科学与工程学院，毫米波国家重点实验室，南京 210096）摘要：本文提出和设计Ka波段基片集成波导馈电的正反渐变槽整流天线阵列。

基于基片集成波导技术的整流器通过全波仿真软件和谐波平衡法联合仿真实现。

基片集成波导馈电的正反渐变槽整流天线单元和1×4阵列在低成本的标准PCB工艺上设计和制作。

当频率为30 GHz时，所测得的基片集成波导馈电正反渐变槽天线单元的增益为12 dBi，同时测得整流电路的射频-直流转换效率为27.4％。

在1×4的整流天线阵列中，总直流输出功率约为四个单元整流天线直流输出功率之和。

关键词：电子技术；整流天线阵列；全波电磁仿真和谐波平衡法；正反渐变槽天线；基片集成波导；整流器中图分类号：TN454文献标识码：A 文章编号：1673－7180(2008)01－0059－6Substrate integrated waveguide rectenna array using antipodal linearlytapered slot antennaHE Fanfan，HONG Wei，WU Ke，TANG Hongjun，CHEN Jinxin( State Key Lab. of Millimeter Waves, School of Information Science and Engineering,Southeast University, Nanjing 210096 )Abstract: A Ka-band rectenna array employing the substrate integrated waveguide (SIW) technique with antipodal linearly tapered slot antenna (ALTSA) is proposed and presented in this paper. Rectifiers based on the SIW are simulated and designed by using a combined method of full-wave electromagnetic field simulation and harmonic balance (HB) nonlinear circuit analysis. Single SIW-ALTSA rectenna and 1×4 rectenna array are designed and fabricated with a low-cost standard PCB process. The measured gain of each SIW-ALTSA block is about 12 dBi in 30GHz band, and also the obtained RF-to-DC conversion efficiency of the corresponding rectifier is 27.4%. The measured output DC power of the 1×4 rectenna array is approximately the sum of the four rectennas.Key words: electronics technology；rectenna array；full-wave electromagnetic field simulation and harmonic balance (HB) nonlinear analysis；Antipodal Linearly Tapered Slot Antenna (ALTSA)；Substrate Integrated Waveguide (SIW)；rectifier基金项目：国家自然科学基金委“创新群体”基金(60621002)作者简介：何繁繁(1980—)，男，博士研究生通讯联系人：洪伟，教授. E-mail：weihong@在太阳能卫星，空间站等系统中，微波功率传输是一种解决空对空或空对地功率传输的重要技术[1~3]。

第2章__天线阵的分析与综合(2)

第2章天线阵的分析与综合
②并排平行排列的两个振子之间的互阻抗的变化幅度比共轴排列的要大些，说明前者的互耦要强些。 ③互阻抗的实部R12有正有负，它表示另一根振子在这根振子上附加的感应电动势源而产生的；而自辐射阻抗的实部为大于零的正数，它表示振子单独存在时全部辐射的有功功率均由它吸收。【例2.1】如图为两种情况的半波振子二元阵，查表计算各振子的辐射阻抗Zr1和Zr2。解：已知半波振子的自阻抗为
第2章天线阵的分析与综合
E z1 2 j4 I2 m [e R j 1 R 1 e R j 2 R 2 2 c o s (l)e r jr]
在如图z´坐标系下，式中
(2.3.27)
r d 2 (z H )2
R1 d 2 (z H l)2
R2 d 2 ( z H l)2
【例2―4―1】计算架设在理想导电平面上的水平二元半波振子阵的H平面方向图、辐射阻抗以及方向系数。Im2=Im1e-jπ/2，二元阵的间隔距离d=λ/4，天线阵的架高H=λ/2。 z
r
I1
4
I2
x
I 1
4
图2―4―5
H＝ 2
＝ ∞
y
H
＝
2
I 2
H平面坐标图
第2章天线阵的分析与综合
或
Z12R12jX12
(2.3.29)
R 1 2 1 5 s i n ( w 0 ) [ 2 S i ( w 1 ) 2 S i ( w 1 ) S i ( w 2 ) S i ( w 2 ) S i ( w 3 ) S i ( w 3 ) ]
c o s ( w 0 ) [ 2 C i ( w 1 ) 2 C i ( w 1 ) C i ( w 2 ) C i ( w 2 ) C i ( w 3 ) C i ( w 3 ) ]

第2章__天线阵的分析与综合(1)

条件：电流相位差 = 0 ，馈电电流等幅 (k=1) 。
d cos
2d
cos
归一化阵因子
Fa (
)
cos
d
cos
d cos
2d
cos
Fa (
)
cos
d
cos
令Fa( M) = 1，得同相二元阵的最大辐射方向
M = 90
侧射式（边射式）天线阵：最大辐射方向在阵轴的两侧
的天线阵。
d = 0.5
d=
图 (a)分析1：两个单元天线馈电电流同相，
直线天线阵：各单元天线的中心（馈电点）排列成一条直线的天线阵；
平面天线阵：各单元天线的中心在一个平面之内的天线阵；立体天线阵：各单元天线的中心处于三维空间的天线阵。
天线阵由相似元构成。相似元：形式相同，取向相同的单元天线。
任何天线都可以作为单元天线，简单的天线阵也可以作为单元天线。
直线阵
2d
结论：天线阵的最大辐射方向由电流相位差和元间距
d 决定。
fa ( )
fa ( )
2cos
2
fa (
)
2 cos
d
cos
2
当 = 0 时，阵因子有最大值，且 famax = 2
二元均匀阵归一化阵因子
Fa ( ) Fa ( )
1 2
fa
(
)
cos
2
cos
d
cos
2
（1）等幅同相二元阵
d cos
2d
cos
d cos ：由波程差引起的相位差；
：阵元 2 馈电电流超前于阵元 1 馈电电流的相位差。
d 、给定后，是方向变量的函数。

一种基于子阵分解的高效整流天线阵列

一种基于子阵分解的高效整流天线阵列
张鹤馨;刘长军
【期刊名称】《应用科技》
【年(卷),期】2016(043)004
【摘要】针对微波无线能量传输系统中接收端功率密度非均匀分布，提出了一种
高效的子阵分解微波整流天线。

通过研究接收天线阵列功率密度分布规律，设计了针对不同最佳功率点的整流电路。

在微波整流电路功率动态范围有限的情况下，采用子阵分解微波整流天线设计，可以拓展微波整流功率范围，提高系统效率。

实验结果表明，针对微波输出功率从－5～22 dBm的类高斯分布接收阵列天线，采用
最佳工作点为21、17和10 dBm的3种微波整流电路，通过基于子阵分解进行
优化排布，使整流天线的整体效率提高10％以上。

【总页数】5页(P57-61)
【作者】张鹤馨;刘长军
【作者单位】四川大学电子信息学院，四川成都610064;四川大学电子信息学院，四川成都610064
【正文语种】中文
【中图分类】TN455
【相关文献】
1.基于电感非线性阻抗变换的一种新型高效整流电路 [J], 刘跟平;汤永德;王国君;
侯云海
2.基于基片集成波导的正反渐变槽整流天线阵列的研究 [J], 何繁繁;洪伟;吴柯;汤红军;陈继新
3.基于电感非线性阻抗变换的一种新型高效整流电路 [J], 刘跟平;汤永德;王国君;侯云海
4.一种高效率双波段双极化共口径天线子阵 [J], 张智慧;汪伟;陈明;张洪涛;鲁加国
5.一种高效率背腔微带振子阵列天线设计 [J], 牛传峰; 张晓冲; 李增科
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整流天线研究背景

微波输能中的波束相控阵技术1983，第一个成功的微波输能火箭试验，微波电离层非线性交互试验（MINIX），这个实验室在高功率微波波束和等离子体间产生了新的等离子数据和理论，十年后，另一个微波输能火箭试验ISY-METS:包含了一个详细描述等离子体物理学的相控阵。

计算活跃等离子体波的幅度需要知道磁场和活跃等离子体波的角度。

这个相控阵技术能够很好的控制波束指向和磁场与活跃等离子体波的角度。

MILAX:(1992)96个砷化镓半导体放大器和4-b数字移相器与288个天线单元连接，工作于2.411 GHz。

每个放大器子阵列有三个天线（图1）。

相控阵的直径大约1.3m，测量的波数图形如图（图2），波束宽约6°，在0dbm的输入功率情况下，放大器的增益为42dB，（图3），放大器的功率附加效率为40%。

总共的微波能力是1.2KW，由没调制的连续波组成，测得的功率密度如图。

图1 1992,MILAX,第一个将相控天线阵用于MPT应用的实验图2 MILAX相控天线阵中的波束方向图图3 输出功率、效率、增益在微波输能领域，第一次运用相控天线阵的实验（图4）：汽车车顶安装相控阵，在无燃料飞机下行驶，微波波束指向该飞机（用计算机和从电荷耦合器摄影机上获取的数据来检测目标（飞机）的位置。

飞机上的整流天线阵共有120个整流天线（图5），各元件之间的间隔为0.7波长，在1W的输出直流电源情况下整流天线的效率为61%，该飞机仅适用了相控阵传输的微波能，飞行了大概十米的水平距离。

从整流天线阵最大可获取88W 的直流电源，足以使支撑飞机行驶。

图4 图5在MILAX实验前后，大概有两个MPT实验为飞行目标物提供微波能量，且没运用相控阵系统：1987，固定高空继电器平台实验：飞机宽2.9m，机翼总宽4.5m，传输2.45GHz，10KW 的微波，飞行距离长于150m。

1995，向高空长耐力飞艇传输能力实验：飞艇在离地面35-45m飞行，传输2.45GHz，10KW的微波。

一种用于无线输能的2_45GHz微带贴片整流天线

枝节以调节方向图指向整流电路采用二极管串联双管倍压电路。实验结果与仿真结
果二者吻合良好实测得到输入功率为100 mW时微波-直流转换效率达到64同单管并联电路相比大大提高了整流电路的输入功率使整流天线的实际转换效率更高。关键
词无线输能整流天线微带贴片转换效率中图分类号TN822.4 文献标识码A A Microstrip Patch Rectenna with 2.45 GHz for Wireless Po wer Transmission WANG Jiu-ling GUO Qing-gong College of Electronics and Information Engineering Sichuan University Chengdu Sichuan 610064 China Abstract The microwave rectenna is a crucial element in Wireless Power TransmissionWPT system. A rectenna operating at 2.45 GHz is presented. The receiving antenna is an array of two microstrip rectangle patches in series between which two short stubs are adopted to adjust the antenna pattern. The rectifying circuit is a double- voltage circuit with series dual-diodes and the experiment results show that it greatly enhances the input RF power compared with single-diode circuit. When the input RF power is 100 mW the double-voltage circuit achieves a conversion efficiency of 64 so the practical RF-to-DC conversion efficiency is higher. Key words wireless power transmission rectenna microstrip patch conversion efficiency近年来空间太阳能传输Solar Power Transmission SPT和微波无线输能WPT越来越受到人们的重视微波整流天线是其中一项关键技术。目前整流天线中接收天线的形式主要有单极振子天线、平面印刷偶极子天线和微带天线3种形式。微带天线因其具有体积小、重量轻、接收面积大、极化方式灵活、方便组阵、易集成和易加工等优点近年来被广泛用于整流天线中接收天线的设计1–5。本文设计了一种工作在2.45 GHz的线极化二元串联微带矩形贴片阵列作为接收天线采用微带线串联馈电使天线与整流电路位于同一个平面上单元贴片之间引入的两个短枝节可以调节天线方向图的指向。这种结构十分方便扩展应用于大型阵列的设计。在以往的整流天线设计中整流电路多采用单个二极管并联方式1–9。本文选用串联双管组成倍压整流电路不需要增加额外的元件不会增加电路面积和复杂度电路的输出电压可提高一倍同时大大提高了二极管整流电路的输入功率。 1 整流天线设计整?/B>天线由接收天线、滤波电路和整流电路等部分组成它通过接收天线来接收发射天线发射的微波束然后经过二极管整流将接收到的微波能转化成直流电能输出。 1.1 接收天线设计二元串联矩形贴片阵列工作在2.45 GHz的接收天线光刻在聚四氟乙烯双面覆铜板基片上基片厚为2 mm介电常数为2.65损耗角正切值小于0.001导带铜厚为0.035 mm。如图1天线总尺寸为180 mm×100 mm单元贴片大小为37.5 mm×37.5 mm 收稿日期2007-11-05修回日期2007-12-20 基金项目国家自然科学基金资助项目60471045 132 信息与电子工程第6卷采用微带线串联馈电端口阻抗为50 ??。两个串联贴片之间的两个短枝节用来调节天线方向图指向。如图2为2.45 GHz天线方向图的测试结果天线的增益为9.58 dB。 1.2 输入输出滤波

同步发电机整流系统稳定性的数学建模与实例分析_李槐树

与运行于大电网的普通三相同步发电机不同 ,同步发电机带整流负载时常存在低频功率振荡问题 ,且影响因素十分复杂 . 文献 [ 1-6]对同步发电机整流系统的稳定性进行了分析研究 ,但这些研究成果并没有完全揭示这类系统振荡的本
质 ,实践中发现 ,电机系统的振荡有时是区域性的 ,例如在不同的励磁段或不同的负载电流段 ,因此 ,深入研究同步发电机整流系统的低频振荡问题、揭示其内在规律 ,是一个十分重要的理论和实际问题 .
对其他不同参数的整流系统所进行的大量计
· 810·
武汉理工大学学报 (交通科学与工程版 )
( E0 - x 1d Id ) 2 + ( x 1q Iq ) 2 为等效基波相电势幅
图 2 向量图
值 ; W= a rct an [x 1q Iq /( E0 - x 1d Id ) ] 为等效基波相电势与空载相电势之相位差 .
由于系统的机械惯性远大于电磁惯性 ,因此 , 同步发电机整流系统在微扰条件下的稳定特性主要决定于各电磁量 ,在忽略直流侧电流中高次谐波分量条件下 ,整流系统的等效电路如图 3所示 . 图中: ld = ( 2 - 3_ /2π) x c /k为平均漏感系
第 31卷第 5期 2007年 10月
武汉理工大学学报 (交与通工科程学版 ) Jo urnal o f Wuhan Universi ty of Techno logy
( T ranspo r ta tio n Scie nce & Engineering )
V o l. 31 No. 5 Oc t. 2007
[ 3sin W+
2_ co sW
+
sin( 2_ + W) - 4si n(_ + W) ]; K qE =

2.45 GHz紧凑型微带整流天线阵列

DOI: 10.11991/yykj.202003012网络出版地址：https:///kcms/detail/23.1191.U.20201202.1409.012.html2.45 GHz 紧凑型微带整流天线阵列李金城，林航，刘长军四川大学电子信息学院，四川成都 610064摘要：为了提升整流天线的微波功率容量与直流输出功率，本文提出了一款基于肖特基二极管的紧凑型微带整流天线阵列，工作频率为2.45 GHz ，采用HSMS-2700肖特基二极管作为整流器件，并采用倍压电路提升功率容量与直流输出功率。

在输入微波功率2 W 时，单支整流电路的最大输出直流功率为0.93 W 。

将整流电路集成到贴片天线后，形成整流天线阵列。

结果表明，天线阵列最大可输出14.03 W 的直流功率，尺寸为217 mm×275 mm×2 mm 。

整流天线阵列结构紧凑，输出直流达到了117.6 mW/cm 3。

关键词：微波无线能量传输；整流天线；功率容量；直流输出；整流电路；肖特基二极管；倍压电路；天线阵列中图分类号：TN455 文献标志码：A 文章编号：1009−671X(2021)02−0008−04A compact microstrip rectenna array at 2.45 GHzLI Jincheng, LIN Hang, LIU ChangjunSchool of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 610064, ChinaAbstract : In order to improve the power capacity and the DC output power of a rectenna, a compact microstrip rectifier rectenna array at 2.45 GHz based on Schottky diode was designed and fabricated. HSMS-2700 Schottky diodes are applied with voltage doubler rectifying circuit to improve its microwave power capacity and DC output power. When the input microwave power is 2 W, the maximum DC output power of a single rectifier reaches 0.93 W. The DC output power of the whole rectenna reaches 14.03 W at most. Its dimension is 217 mm×275 mm×2 mm. The proposed rectenna array iscompact, with DC output power reaching 117.6 mW/cm 3.Keywords: microwave wireless power transmission; rectenna; power capacity; DC output power; rectifier; Schottky diode; voltage doubler; antenna array随着不可再生能源的日益减少，可再生清洁能源的获取问题亟待解决。

基于特征模理论的天线等效电路分析

基于特征模理论的天线等效电路分析Analysis For Circuit Equivalent Modal Of Antenna Based On Characteristic Modes Approach李娜侯建强(西安电子科技大学微波研究所、西安、710071)摘要:本文在应用特征模理论简化分析天线模式的基础上，提出了一种综合高斯滤波器原理设计天线等效电路的方法。

首先用Altair公司的FEKO软件的特征模分析得到模式1和模式3为对称振子天线的主要辐射模式，再根据每个模式的模式系数图形设计带通滤波器等效电路，最后将两个模式的带通滤波器等效电路并联起来就是对称振子天线的等效电路。

将得到的等效电路的仿真结果与原天线的仿真结果相比，在带宽和阻抗等方面都很一致。

关键词:特征模理论，FEKO仿真，高斯滤波器，天线等效电路Abstract:Based on Simplifying the antenna modes through the application of characteristic modes approach, we propose a novel method which synthesize the Gauss filter to design antenna equivalent circuit. We take the dipole antenna as an example to expound the method. Firstly, from the analysis of the characteristic modes approach andthe simulation results of FEKO, mode 1 and mode 3 are found to be the main radiation modes for a dipole antenna. And then, band pass filter equivalent circuits are designed in the light of the modal coefficient graphs of each mode. Finally the two band pass filter equivalent circuits of mode 1 and mode 3 can be combined in parallel to be the equivalent circuit of the dipole antenna. The results of the equivalent circuit are quite consistent with the original antenna for the bandwidth and impedance.Key words: characteristics modes approach, FEKO simulation, Gauss filter, antenna equivalent circuit1 简介随着无线电通信技术的发展，天线的设计和应用受到越来越受到广泛的关注，对其性能的要求也越来越高。

大型阵列天线的等效仿真计算

大型阵列天线的等效仿真计算Equivalent Source Simulation Method ForLarge-scale Antenna Array于嘉嵬周成哲(成都中电锦江、成都、610051)摘要: 阵列天线的仿真是典型的电大尺寸问题。

由于规模大，如果采用全波方法计算时间长，需要大量的计算资源。

Altair公司的FEKO软件的等效源技术可快速、精确计算阵列天线。

本文介绍了此方法在一大型阵列天线仿真中的应用。

关键词:阵列天线FEKO等效源技术Abstract:The simulation of antenna array is electrically large problem typically. Due to the large number of element, the simulation of antenna array usually requires large computational resources. FEKO from Altair provides equivalent source technology which can be used to simulate antenna array fast and accurately. In this paper, one large-scale antenna array is simulated by this method.Key words: Antenna array, FEKO, Equivalent source1 概述阵列天线是由不少于2个天线单元规则或随机排列,并通过适当激励获得预定辐射特性的1类特殊天线.阵列可由各种类型的天线组成,数目可以是2个甚至几十万个.通过选择和优化阵单元的结构形态、排列方式和馈电幅相特性,阵列天线能够实现单个天线难以提供的优异特性,如更高的增益、方位分辨率、系统信噪比等指标,因此在雷达和通信等领域被广泛地应用。

低功率密度下具有通信功能的整流天线

Rectenna with Communication Function in Low Power Density Jiang Chao，Yang Xue-xia，Gong Bo，Wang Ye-qing
（School of Communications and Information Engineering，Shanghai University，Shanghai 200072） Abstract：A rectenna with communication function in low power density is presented in this paper. A dualpolarized microstrip antenna is fed by two ports ， including communication port and rectifying port whose operating frequencies are 6.1GHz with horizontal polarization and 5.8GHz with vertical polarization，respectively. After equivalent circuit analysis and software simulation，the rectifying circuit obtains 65% RF-DC efficiency under 10mW input power. The measurement result of rectenna shows that 62.5% conversion efficiency is realized under 2mW/cm2 power density. This rectenna can be applied in low power electronic appliances to meet communication demand. Keywords：rectenna; low power density; dual polarization

基于特征模理论的天线等效电路分析

基于特征模理论的天线等效电路分析天线是用来辐射或接收电磁波的装置。

在天线设计和优化过程中，我们经常需要进行天线的等效电路分析，以便更好地理解和优化天线的性能。

其中一种常用的分析方法是基于特征模理论。

特征模理论是一种将天线等效为一个包含电感、电容和电阻的电路模型的理论。

通过将天线的电流和电压表示为特征模的组合，我们可以利用电路分析的方法来分析和设计天线。

在天线的等效电路分析中，首先需要确定天线的特征模。

特征模是一组描述天线特性的参数，通常包括天线的电感、电容和电阻。

这些参数可以通过测量天线的频率响应、输入阻抗和辐射模式等来获得。

一旦确定了天线的特征模，我们就可以将天线的电流和电压表示为特征模的组合。

根据特征模的定义，电流和电压可以通过特征模中的电感、电容和电阻来计算。

这使得我们可以使用电路分析的方法来分析和优化天线。

1.确定天线的特征模。

这可以通过测量天线的频率响应、输入阻抗和辐射模式等来获得。

2.将天线的电流和电压表示为特征模的组合。

根据特征模的定义，电流和电压可以通过特征模中的电感、电容和电阻来计算。

3.利用电路分析的方法来分析天线的性能。

可以使用各种电路分析工具和技术，如频率响应分析、输入阻抗分析和辐射模式分析等来评估和优化天线的性能。

4.进行天线设计和优化。

通过调整特征模中的参数，可以改变天线的性能，如增加天线的带宽、提高输入阻抗匹配和优化辐射模式等。

基于特征模理论的天线等效电路分析可以帮助我们更好地理解和优化天线的性能。

通过将天线表示为一个简单的电路模型，我们可以利用电路分析的方法来分析和设计天线。

这种方法不仅能够提高天线设计的效率，还可以更深入地研究天线的特性，为天线工程师提供更多的设计灵活性。

天线参数实验报告结论

天线参数实验报告结论1. 研究背景天线是通信系统中十分重要的组成部分，它负责将电磁波转化为无线电信号或将无线电信号转化为电磁波。

天线参数的调整和优化对系统的性能至关重要。

2. 实验目的本实验的目的是研究不同天线参数对通信系统性能的影响，通过实际测量和对比分析，得出合理的结论。

3. 实验步骤和结果3.1 实验步骤实验主要包括以下几个步骤：1. 设置实验平台和测量仪器。

2. 将不同类型的天线放置在相同的位置上，保证实验条件一致。

3. 测量天线的增益、辐射特性、频率响应等参数。

4. 分析和比较不同天线参数的实验结果。

5. 总结和得出结论。

3.2 实验结果根据实验数据的测量和分析，我们得出了以下结论：1. 天线增益与发射距离成正相关关系，增加天线增益可以提高通信系统的传输距离。

2. 天线辐射特性与传输方向有关，不同天线的辐射角度和辐射范围不同，需要根据具体情况选择合适的天线类型。

3. 天线频率响应与系统的工作频率有关，选择与系统要求匹配的天线频率可以提高通信质量。

4. 天线参数的调整和优化需要考虑各种因素的综合影响，包括通信距离、传输方向、工作频率、天线成本等。

4. 结论和建议基于以上实验结果和分析，我们得出以下结论和建议：1. 在需要提高通信距离的情况下，可以选择增加天线增益的方法来改善信号传输质量。

2. 在需要控制信号辐射范围的情况下，可以选择具有较窄辐射角度的天线来提高系统的抗干扰能力。

3. 在需要适应不同工作频率的情况下，可以选择具备宽频带的天线来满足多样化的通信需求。

4. 在实际应用中，需要综合考虑天线成本、可靠性和维护成本等因素，在性能和经济效益之间做出合理的权衡。

5. 结果的局限性和未来的改进方向本实验结果的局限性在于实验条件的限制和采样数据的有限性。

为了得到更加准确的实验结果，可以考虑增加样本数量、扩大实验范围，并进一步研究影响天线性能的其他因素。

6. 参考资料待补充。

7. 致谢感谢实验指导老师的悉心指导和同组同学的配合。

整流天线研究进展及设计方法概述

ＤＯＩ：１０．１３８７８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｎｕｉｓｔ．２０１７．０１．００３
杨雪霞１
整流天线研究进展及设计方法概述
摘要
微波输能（ＭＰＴ）技术通过微波波束
在两点之间进行能量的无线传输，可用
于太阳能卫星、近空间飞行器、无线传感
器等．整流天线将微波能量捕获并转换
为直流，是ＭＰＴ系统的关键部件．首先，
展开双频整流天线研究，于１９９８年提出双频半波振
图２十字枝节１８／２２ＧＨｚ整流电路［１１］
Ｆｉｇ２１８／２２ＧＨｚｒｅｃｔｉｆｙｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｗｉｔｈａｃｒｏｓｓｓｔｕｂ
子整流天线［７］，在２４５／３３ＧＨｚ频点的整流效率分
１上海大学通信与信息工程学院，上海，
２０００７２
Ｆｉｇ１Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆａｒｅｃｔｅｎｎａ
整流电路的核心指标是“ 微波⁃直流” （Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ⁃ＤｉｒｅｃｔＣｕｒｒｅｎｔ，
ＭＷ⁃ＤＣ）转换效率，它与输入的微波功率、工作频率和所接负载有关．
整流电路一般采用反应迅速、导通电压低的肖特基二极管，在普通微
线的研究工作基本上从突破这一限制展开．
１１多／宽频整流天线
利用微波传输线在不同频率处具有不同电长度
和特征性阻抗的性质，通过适当调节阻抗匹配网络
的几何尺寸，可以实现多频段内的阻抗匹配．常用的
阻抗匹配网络有双Ｔ型、多枝节型、十字型等．
美国ＴｅｘａｓＡ＆Ｍ大学Ｋ．Ｃｈａｎｇ教授课题组最早
造成能量的损失，谐波是影响整流效率的主要因素之一；微波整流二
极管输入阻抗与输入功率和工作频率相关，二极管输入阻抗的匹配

双极化方向回溯整流天线阵列设计与实验

双极化方向回溯整流天线阵列设计与实验杨雪霞;梅欢;朱戈亮【摘要】提出了由双极化方向回溯Van Atta天线阵和差分整流电路组成的方向回溯整流天线阵,它能够避免接收波束未对准和收发天线极化失配而造成整流天线转换效率的急剧下降,使整流天线在宽入射角和任意极化时仍能保持稳定的直流输出.设计并测试了C波段2×2元阵列.实验结果表明,当入射波功率密度为3.43mW/cm2时,双极化方向回溯整流天线阵列的垂直和水平极化端口归一化电压比大于0.8的入射角度范围分别为[-38°,38°]和[-31°,31°].当功率密度为4.32mW/cm2时,两个极化端口均获得70.8％的最高整流效率.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2018(033)004【总页数】7页(P380-386)【关键词】整流天线;阵列;整流效率;方向回溯;双极化【作者】杨雪霞;梅欢;朱戈亮【作者单位】上海大学上海先进通信与数据科学研究院特种光纤与光接入网重点实验室特种光纤与先进通信国际合作联合实验室,上海200444;上海大学上海先进通信与数据科学研究院特种光纤与光接入网重点实验室特种光纤与先进通信国际合作联合实验室,上海200444;上海大学上海先进通信与数据科学研究院特种光纤与光接入网重点实验室特种光纤与先进通信国际合作联合实验室,上海200444【正文语种】中文【中图分类】TN820引言高效的微波能量传输系统,需要接收整流天线的电磁波极化方向和波束方向与发射天线严格对准,否则整流天线效率将急剧下降. 圆极化整流天线能减小极化失配带来的能量损失,可以在收发天线相对旋转的情况下保持输出电压的稳定,但是当最大方向对不准时,也不能维持输出电压的稳定[1-2];而且圆极化天线不能接收旋向相反的圆极化波. 双极化天线则可接收任意方向的线极化和圆极化波,更具优越性. 为了在宽入射角度内保持整流天线输出电压的稳定,可以采用具有较宽波束宽的非均匀天线阵[3];但是非均匀天线阵增益远远低于均匀天线阵,且非均匀阵由许多大小不等的阵元组成,设计与实现较为复杂.方向回溯天线阵不需要准确的来波信息就可以将入射波沿着来波方向发射回去,能够在较大的角度内实时跟踪来波. 其自动波束扫描性能已经应用于一些无线通信系统[4-5]和射频识别[6-7],特别适应于通信链路不固定的场合,如基站和移动用户之间,移动用户和移动用户之间的通信[5]. 系统的方向回溯功能完全通过硬件实现,不需要额外的算法和数字电路,反应速度很快. 它主要有两种阵列结构:相位共轭阵和Van Atta阵. 前者需要混频电路以及本振信号,使得与整流天线集成设计及整个系统变得复杂;Van Atta天线阵通过特定长度传输线将阵元连接起来,可以是无源的,结构简单,容易与整流电路集成,从而构成方向回溯整流天线阵. 文献[8-9]将相位共轭回溯天线阵用于微波输能系统设计,固态相控阵发射天线阵列中有一个单元用来接收整流天线阵列的信标信号,产生相位共轭的混频器等置于整流天线阵列面上. 文献[10]设计的2×2元Van Atta圆极化整流天线阵列,在最大方向上,当功率密度为10 mW/cm2时,MW-DC转换效率73.3%,直流输出电压2.48 V,且在[-10°,10°]角度范围内基本不变,在小于45°范围内电压比为0.9.本文提出由双极化方向回溯Van Atta天线阵和差分整流电路组成的方向回溯整流天线阵,它能够避免接收波束未对准和收发天线极化失配而造成整流天线MW-DC 转换效率的急剧下降,使整流天线在宽入射角和任意极化时仍能保持稳定的直流输出,适用于远距离微波能量传输系统. 设计并测试了C波段2×2元阵列,验证了设计的有效性.1 双极化缝隙耦合微带天线设计采用双极化缝隙耦合微带天线作为方向回溯整流天线阵列的接收单元,在两个极化方向上分别获得方向回溯性能,从而解决接收天线极化和方向的对不准问题. 双极化缝隙耦合微带天线有三个优点:其一,微带馈线和接收贴片置于不同介质层,不仅减小相互影响,而且便于多元阵列设计,减小馈电网络占用面积;其二,缝隙耦合双层结构具有谐波抑制功能,能有效地抑制由于二极管非线性在电路中产生的高次谐波,省去了整流电路中的滤波器,使得整流天线阵列结构紧凑;其三,双层结构在一定程度上可以增加天线的带宽和增益.图1是双极化天线结构图,天线由双层介质板构成,有三层金属层.顶层是星形辐射贴片,在组阵时能减小阵元之间的相互耦合;中间层是接地板,开有两个相互正交的耦合缝隙,缝隙呈渐变“工”字形,用于阻抗匹配;底层是两个正交的微带馈线,分别激励水平和垂直极化波.(a) 贴片天线 (b) 侧视图 (a) Patch antenna (b) Side view(c) 耦合缝隙与馈线(c) Coupling slot and feedline图1 双极化天线结构图Fig.1 Structural diagram of dual polarized antenna采用ANSYS高频结构仿真软件HFSS进行仿真设计,工作频率为5.8 GHz. 两层介质的相对介电常数均为2.65,正切损耗角为0.002,上下层的厚度分别为h1=1.5 mm,h2=0.8 mm,铜箔厚为0.035 mm. 馈线宽度均为2.2 mm,使其特性阻抗为50 Ω,可直接与整流电路集成. 最终设计的天线结构参数为:w=27.5 mm,l=27.5mm,wp=14.9 mm,lp=14.9 mm,a=13mm,b=5 mm,w50=2.2 mm,ws1=2 mm,ls1=5.4 mm,ws2=2 mm,ls2=6.8 mm,lo1=2.66 mm,lo2=2.1 mm,O1=2.2 mm,O2=1.8 mm.图2给出了双极化天线的测试S参数曲线.两个端口的公共阻抗带宽(S11、S22≤-10 dB)为3%(5.96～6.14 GHz),中心频率为6.05 GHz,与仿真的中心频率5.8 GHz 有250 MHz的频偏. 误差主要来源于加工和测试,天线双层结构是采用塑料螺钉固定的,上下层介质板之间存在空气间隙,会使得频率上升. 两端口的实测隔离度较好,在有效带宽内大于35 dB. 在二次谐波12.1 GHz上,垂直极化端口的反射系数为-0.8 dB,水平极化端口的反射系数为-4.6 dB,可见该天线具有良好的谐波抑制功能,且垂直极化端口的性能优于水平极化端口. 测得天线在频率为6.05 GHz时垂直和水平极化端口增益分别为6.5 dBi和6.3 dBi,用于后面计算整流天线在远场区接收到的能量.图2 双极化天线S参数的测试频响特性Fig.2 Frequency response characteristics of S parameters for dual polarized antenna2 差分整流电路设计方向回溯整流天线阵需要差分整流电路. 图3(a)给出了所设计的差分整流电路结构图,它由输入匹配电路、二极管和直通滤波器组成,由于接收天线具有谐波抑制功能,因此整流电路无需设计输入低通/带通滤波. 为了使电路小型化,用150 pF的电容作为输出端直通滤波器,来进一步滤除高次谐波和基波,二极管至电容之间的微带线用于消除二极管的虚部达到匹配,其长度约为λ/4. 直通滤波器的两个输出端与负载电阻相连.(a) 结构图 (b) 实物(a) Structure diagram (b) Prototype图3 差分整流电路结构和实物Fig.3 Differential rectifier circuit structure and prototype整流二极管是整流电路中的关键元件,对于不同频率和不同功率选择合适的整流二极管,有助于设计高效率整流电路. 这里采用 MA-COM 公司的 MA4E1317 肖特基二极管,其导通电压低、损耗小、反应速度快. 二极管等效电路参数为:结电容Cj0=0.02 pF,串联电阻Rs=4 Ω,反向击穿电压 Vbr=7 V,正向导通电压 Vbi=0.7 V,理论上工作频率可达80 GHz. 为了便于和接收天线集成,整流电路也采用0.8 mm 厚的F4B-2介质板,如图3(b)所示. 整流电路优化后的结构参数为:w50=2.2 mm, g=0.45 mm, w1=3.45 mm, l1=7.0 mm. 由于差分电路两端口信号存在180°相位差,需要连接0°/180°电桥测试其MW-DC整流效率,整流电路输入端接信号源和放大器. 电路整流效率计算公式为η(%)%.(1)式中:RL为整流电路负载值;VL为负载两端电压;Pin为经过放大器后输入到整流电路的微波功率.图4给出了整流电路在6.05 GHz频率时，不同输入功率下整流效率随负载变化曲线. 可见，随着负载的增加，整流效率增大；随着输入功率的增加，整流效率增大. 不同功率具有相同的最佳负载240 Ω.当负载为240 Ω,频率为6.05 GHz时,整流效率和输出电压随输入功率变化曲线如图5所示. 可见,整流效率和直流输出电压随着输入功率升高而增大,当输入功率为20 dBm时,整流电路最大整流效率为73.8%,输出直流电压为4.21 V. 当输入功率为21 dBm时,整流效率急剧下降为64%,而输出电压趋于不变. 当功率再增加时,整流二极管将被击穿.图4 不同输入功率下整流效率随负载变化曲线Fig.4 Test curves of rectifier efficiency versus load change with different input power图5 整流电路效率和输出电压随输入功率变化曲线Fig.5 Curves of efficiency and output voltage of rectifier circuit versus input power通过以上实验发现,MA4E1317二极管的反向击穿电压约11 V,大于给定值. 而根据整流原理,当输出电压达到Vo=Vbr/2.2时二极管能获得最高的效率,此时整流电路效率也最高.3 2×2方向回溯整流天线阵列基于以上双极化天线单元和差分整流电路,设计2×2元双极化方向回溯整流天线阵列,并建立测试系统,验证其方向回溯性能.3.1 阵列设计方向回溯Van Atta天线阵最早由L.C. Van Atta在1959年的专利中提出[11],它是由多个与阵列几何中心对称的天线单元对组成,通常阵元数为偶数,图6是线阵和面阵示意图. 每个天线对用等电长度或者相差整数个工作波长的传输线连接,工作时,阵列中每一个天线单元接收的信号被与它成几何对称的另外一个天线单元再辐射出去,起到方向回溯的功能,如图6(a)所示.(a) 线阵 (b) 面阵(a) Linear array (b) Area array图6 四元Van Atta阵Fig.6 Four element array of Van Atta天线阵元间距过大将会出现栅瓣,阵元间距过小则导致单元互耦严重而引起方向图畸变. Van Atta阵元间距应当满足公式(2)式中:d为阵元间距;λ0为自由空间波长;θin是入射波的角度. 因此,理论上,为了实现-90°至+90°的扫描范围,阵元间距d应为0.5λ0.由于上述接收天线馈线和整流电路输入阻抗均为50 Ω,可以直接集成,如图7(a)、(b)、(c)所示. 方向回溯整流天线阵包括顶层的4个贴片天线、中间层的接地板及耦合缝隙和底层的4个差分整流电路,阵元间距约0.5λ0,即d=25.8 mm. 方向回溯特性实现原理如图7(d)所示,当二极管被入射波导通时,对于天线而言, l1和l2构成垂直极化方向回溯天线阵,l3和l4构成水平极化方向回溯天线阵. 这时二极管不仅起到整流的作用,而且还是回溯电路的开关. 理论上应在-90°至+90°内进行扫描,但是由于阵元之间的耦合,扫描角度会小于这个角度. 将两个极化直流输出相并联,形成1×2并联阵列,其连接方法如图7(e)所示,端口标号在图7(c)中. 根据整流天线并联组阵理论[10],二元并联阵列的最佳负载应该为单元的一半,在这里为120 Ω. (a) 顶层-贴片天线 (b) 中间层-接地板上的耦合缝隙 (a) Top layer-patch (b) Middle layer-coupling slotantenna on the floor(c) 底层-整流电路(c) Bottom-rectifier circuit(d) 方向回溯等效馈线 (e) 直流连接方法(d) Retrodirective equivalent (e) DC connection feedlines 图7 2×2方向回溯整流天线阵结构及方向回溯原理Fig.7 Structure of 2×2 retrodirective rectenna array and the operation principle3.2 实验测试实际加工并测试了2×2双极化方向回溯整流天线阵,天线实物照片和效率测试系统如图8所示. 整流天线阵置于距发射天线75 cm的远场区. 测试整流天线效率时,保持θin为0°,收发天线极化一致(即φ=0°),改变发射功率,测试整流天线输出电压. 测试整流天线阵方向回溯性能时,整流天线绕着其中轴线转动,即改变θin,测试整流天线输出电压随入射角变化情况.(a) 正面照片 (b) 背面照片 (c) 方向回溯测试(a) Front (b) Back (c) Retrodirective measurement(d) 实测照片(d) Measurement setup图8 方向回溯整流天线实物图和测试系统Fig.8 Prototype and testing system of direction rectified rectifying antenna 整流天线转换效率的计算公式如下:η(%)%.(3)式中:RL和VL与式(1)的意义相同;Pr为整流天线接收到的功率,可根据Friis传输方程计算得到,(4)式中:Pt是发射功率;Gt和Gr分别是发射和接收天线增益;D是传输距离;λ是工作波长. RL=120 Ω,频率f=6.05 GHz.在φ=0°,θ=0°方向上两个极化端口的输出电压和整流效率随入射波功率密度变化曲线如图9所示. 输出电压和整流效率均随着入射波功率密度增加而增加,当功率密度为4.32 mW/cm2时获得70.8%的最高整流效率.(a) 输出电压(a) Output voltage(b) 整流效率(b) Rectifying efficiency图9 在φ=0°,θ=0°方向上两个极化端口测试电压和整流效率随功率密度变化曲线Fig.9 Measured voltages and efficiencies versus rectifyingdensity at two polarization ports in the direction of φ=0°,θ=0°将整流天线放置在转台上,使得整流天线绕着转台中心旋转(φ=0°,θin变化),测试整流天线输出电压随入射波角度变化情况,并用θin=0°上的电压进行归一化. 图10给出了不同功率密度下,垂直极化端口电压及归一化电压比随入射角度变化曲线. 可以发现,输出电压在θin=0°时最大,当角度变大时输出电压逐渐下降. 在入射波功率密度为2.16 mW/cm2时,归一化电压比大于90%的入射角度范围为[-27°,27°],归一化电压比大于80%的入射波角度范围为[-37°,37°];在入射波功率密度为3.43 mW/cm2时,归一化电压比大于90%和80%的入射角度范围分别为[-28.5°,28.5°]和[-38°,38°]. 随着入射波功率密度的增加,不同角度上的电压比也有所增加. (a) 输出电压随入射角变化(a) Output voltage versus incident angle(b) 输出电压比随入射角变化(b) Output voltage ratio versus incident angle图10 不同功率密度下垂直极化端口测试曲线Fig.10 Vertical polarization port test curves with different power density图11给出了不同功率密度下,水平极化端口电压和电压比随入射角度变化曲线.在入射波功率密度为3.43 mW/cm2时,归一化电压比大于90%和80%的入射角度范围分别为[-21°,21°]和[-30°,30°];在入射波功率密度为5.20 mW/cm2时,归一化电压比大于90%和80%的入射角度范围分别为[-23°,23°]和[-31°,31°]. 水平极化端口方向回溯性能稍劣于垂直极化端口.(a) 输出电压随入射角变化(a) Output voltage versus incident angle(b) 输出电压比随入射角变化(b) Output voltage ratio versus incident angle图11 不同功率密度下水平极化端口测试曲线Fig.11 Horizontal polarization port test curves with different power density4 结论本文提出了双极化方向回溯整流天线阵,在微波输能系统的收发天线电磁波波束和极化方向未能对准的情况下,使整流天线仍能保持稳定的直流输出. 设计并测试了C 波段2×2方向回溯整流天线阵列. 实验结果表明:双极化端口在较宽的入射角范围内电压变化小,均有稳定的直流能量输出. 双极化方向回溯整流天线阵可以有效地解决整流天线阵列波束方向和极化方向对不准问题,在远距离微波输能系统中具有较高的应用价值.参考文献【相关文献】[1] HEIKKINEN L, KIVIKOSKI M. Low-profile circularly polarized rectifying antenna for wireless power transmission at 5.8GHz[J]. 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