微波整流天线研究进展

2016年第2期

空间电子技术

SPACE ELECTRONIC TECHNOLOGY1微波整流天线研究进展0

付文丽，董士伟，董亚洲，王颖

(中国空间技术研究院西安分院空间微波技术国家级重点实验室，西安710000)

摘要:整流天线是微波无线能量传输和环境能量收集的关键技术之一。文章对整流天线的应用场景作了概述，介绍了微波整流天线的主要组成及各部分的作用和特点。综述了国内外对整流天线的研究热点和研究现状，讨 论了整流天线的应用前景和发展方向。

关键词：微波能量传输;整流天线；能量转换效率

D O I：10. 3969/j.issn. 1674-7135.2016.02.001

Development of Microwave Rectennas

F U W e n-li，DONGShi-wei，D O N

G Y a-z h〇u，W A N G Y i n g

(China Academy of Space Technology ( Xi, an) , National Key Laboratory of

Science and Technology on Space Microwave，Xi’an 710000, China)

Abstract :Rectenna is one o f the key modules in microwave wireless power transmission and ambient energy harvesting systems. Firstly applications of r ectennas are reviewed with main components of rectenna module and their functions and characteristics investigated Secondly,development h istory and recent advances of rectennas are summarized. Finally,the ap­plication prospects and development direction of rectennas are discussed.

Key words ：Microwave power transmission ； Rectenna ； Power conversion efficiency

〇引言

近年来，微波能量传输（M P T)在国内外受到越 来越多的关注。M P T技术是空间太阳能电站最核心 的关键技术，此外，M P T技术还可应用于为平流层飞 艇和无人机等高空飞行器供电，对微小型机器人、传 感器网络、射频识别（R F I D)等系统进行能量补给。整流天线作为微波能量传输的主要部件，是目前研 究的热点之一。不同的应用场景对整流天线有不同 的要求，例如，对于为高空飞行器供电的整流天线，除要求其具有较高的能量转换效率之外，还要具有 较小的体积和重量，并且在大角度范围内保持高效 率;而对于传感器网络和射频识别等系统，则要求整 流天线体积更小便于集成，这样整流天线需要工作 于更高的频率，则能量转换效率势必会有所下降。

文章对整流天线的基本构成与特点、国内外对 整流天线的研究热点和现状、整流天线的应用和发 展前景作较为全面的概述。

1微波整流天线的构成与特点

微波整流天线的目的是将天线接收到的微波信 号转换为直流，同时要求其具有较高的能量转换效 率与低纹波电压。整流天线主要由接收天线、预整 流低通滤波器L P F、整流器件（一般为某种形式的二 极管）和输出直通滤波器组成，如图1所示。

接收天线的主要作用是收集尽可能多的微波能 量并将该能量送入预整流低通滤波器。天线设计过 程中主要考虑的因素包括:工作频段的增益方向图、驻波、效率、功率容量、体积重量等。天线形式可以

①收稿日期:2015-10--2;修回日期:2015-11-17。

基金项目：国家重点实验室基金（编号:9140A20090314HT05310;9140C530203140C53232) 作者简介:付文丽（1988—）硕士,工程师。研究方向为空间微波通信转发技术。

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是半波偶极子、喇叭天线、抛物面天线和微带天线 等，具体的选择视应用场合而定，例如对于无人机上 的接收整流天线，应具有尽可能高的功率质量比。

接收

天线

图1整流天线框图

Fig. 1 Block diagram of rectenna

预整流低通滤波器l p f主要有三方面的作用：首先，保证进人整流电路的信号频率不高于整流电 路工作频率;其次，防止由于整流器件非线性/-IZ特 性产生的高次谐波分量再次辐射，这样一方面减少 了对其他设备的干扰，另外一方面减小了整流天线 的能量损耗，从而提高其能量转化效率;此外，l p f 还可以为天线提供恒定的负载阻抗，实现接收天线 与整流电路之间的匹配。

整流器件是整流天线的核心，一般为某种形式 的二极管或晶体管。二极管的主要性能参数包括: 功率处理能力、最大开关速度、/-F特性、工作频段的 阻抗、前向偏置电压、最大反向击穿电压、饱和电流 和效率等。

直通滤波器的作用是提取直流分量，而将其他 频率的信号反射回整流二极管，由于实际中无法实 现理想的低通滤波器截止响应，因此还是会有一些 低频分量会出现在整流天线的输出端，具体表现为 直流电压的纹波。

2微波整流天线研究现状

2.1国外的研究

对整流天线的研究是伴随着微波能量传输技术 的提出开始的。I960年，Bro w n最早提出了整流天 线这个概念，并且实现了第一个工作于2. 45G H z的整流天线，该整流天线由28个半波振子构成，每个 振子末端接了由半导体二极管构成的桥式整流电 路，输出功率7 W，估算得到的效率约为40%[1。随 后的几十年中，整流天线的转换效率和工作频率不 断提高。1977年，美国雷神公司B i l l Brown设计了 一个由条状的铝质偶极子天线和一个肖特基势垒二 极管构成的整流天线，在2. 45G H z输人功率为8W 的条件下得到了 90%的转换效率[2]。

在研究单频率整流天线的同时，科家们也将目光转向双频整流天线。2004年，美国科罗拉多大学 Joseph A等人研制出一款印制在柔性材料上，可同 时工作于2.45G H z和5.8G H z两个频段的圆极化整 流天线[]，如图2所示，该整流天线的增益为20dBl，其效率在X波段可达到60%。

图2双频段圆极化整流天线阵

Fig. 2 Dual-band circularly polarized rectenna array

当微波能量传输用于空间远距离供能时，提高 微波频率可以有效地减小收发天线尺寸，从而实现 系统小型化。207年，Taxes A&M大学K Chang等 人制作了一款工作于35G H z的整流天线[]，当接收 天线接收到的功率密度为30m W/c m2时，转换效率 为35%，x2阵列和2 x2阵列负载端直流电压分 别为 0.45V和 1.73V。

通常一个整流天线单元无法得到所需要的直流 功率，因此需要对整流天线单元进行组阵。2011 年，俄亥俄州立大学U.Olgun等人比较了射频合成 和直流合成两种不同整流天线组阵方式（如图3所 示）的R F-D C转换效率[5]。对于射频合成方式，由于整流二极管一般在输人功率较高时具有更高的整 流效率，因此能够在主波束附近收集更多的能量;而 对于直流合成方式，由于每个整流电路与天线单元 ----对应，因此对人射波角度不是很敏感。

P R F

(a)R F合成(b)D C合成

图3整流天线阵列不同合成方式示意图

Fig. 3

Schematics of the rectenna array configurations