微波输能应用中整流天线阵列接收效率的研究

韩　英，黄卡玛

(四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065)



微波输能应用中整流天线阵列接收效率的研究

韩英，黄卡玛

(四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065)

摘要整流天线阵列是微波无线能量传输系统的重要组成部分，其接收和转换效率关系到能量无线传输的成败。在5.8 GHz频段采用矩形、圆形和三角形3种微带贴片单元，分别以发射天线阵列最大口径效率和接收天线阵列最高接收效率为目标进行优化，仿真计算了各天线阵列对空间电磁来波的接收效率。结果表明，天线单元形状会影响整流天线阵列的接收效率，相对于按发射天线阵列最大口径效率设计，以最高接收效率优化排布的整流天线阵列，对空间电磁来波的接收效果较好。

关键词微波无线能量传输；整流天线阵列；单元形状；排列组阵；接收效率

0引言

微波无线能量传输(Microwave Wireless Power Transmission，MWPT)就是将电能以微波无线能量的形式从供电设备传输到接收设备，可以不需要借助任何导波系统，实现了功率传输的无线化。Brown最先[1]在太阳能卫星计划中提出将空间中的太阳能转换成微波能量，并传输到地球以供使用，无线能量传输系统就是其中的关键技术之一[2]。近年来，微波无线能量传输的应用领域也日益扩展，除了用于太阳能发电卫星计划之外，微波输能还可以应用于临近空间飞行器、微波驱动直升机、机器人供能及偏远地区的能量传输[3]。

整流天线由接收天线和整流电路组成[4]，是微波无线能量传输系统的重要组成部分。自从整流天线的概念提出以来，已对整流天线单元进行了一系列的研究[5]，但在实际应用中，整流天线一般都是以阵列的形式进行使用。1975年，美国喷气动力实验室进行的微波输能实验中使用的整流天线阵列[6]，输出直流功率34 kW，转换效率为82.5%。1994年，京都大学、神户大学和关西电力公司联合进行的实验中，在2.45 GHz上使用了2 304个整流天线单元[7]。京东大学还研究了多种工作在2.45 GHz和5.8 GHz的整流天线阵列[8]，口径约为1 m。1995年，日本的通信研究实验室和神户大学进行的无燃料飞机实验，在MPT系统中使用了单元数1 000的整流天线阵列[9]。2003年美国研究了一款双菱形圆极化整流天线阵列[10]。相对于国外，国内对大型整流天线阵列的研究还比较少。

到目前为止，国际上对于整流天线阵列的设计仍然不是很清楚[11]。整流天线阵列包括接收天线阵列和整流电路2部分，高接收效率是保证其高转换效率的前提。为了改善整流天线阵列的性能，加快太阳能卫星电站的建设，本文研究了天线单元形状及排列组阵方式对整流天线阵列接收效率的影响。仿真计算结果表明，天线单元形状会影响整流天线阵列的接收效率，以最高接收效率优化排布的整流天线阵列，对空间电磁来波的接收效果较好。

1整流天线阵列及效率

整流天线由接收天线和整流电路组成，整流天线单元按照一定的排列组合就构成了整流天线阵列。对于微波的整流，通常采用2种结构：一种是利用具有高增益和大功率容量的天线或天线阵列作为微波能量的接收，利用回旋管[12]以进行微波的集中整流；另一种则是采取整流天线阵列的形式以进行微波功率的分布式整流，其结构框架如图1所示。

图1　分布式整流

集中式整流一方面单元功率要求高，合成效率低，另一方面当采用天线阵列时，更是含有复杂的微波功分网络，如图2所示。

图2　集中式整流

能量以微波连接的形式汇集，损耗较大，设计困难。随着整流规模的扩大，尤其是对于空间太阳能发电卫星(Solar Power Satellites，SPS)系统中的微波整流，需要采取整流天线阵列的整流方式，整流天线单元之间的功率通过直流网络汇集而成，相比于集中式微波整流，分布式整流具有损耗小，单元功率要求低，直流合成效率高，功率容量易于扩展，成本低，以及比较容易维护等优势。但整流天线单元之间以直流而非微波形式连接，其设计方法跟普通的接收天线阵列有着很大的差异[6]。

整流天线阵列包括接收天线阵列和整流电路2部分，其效率为接收天线阵列对微波的接收效率ηra和整流电路的转换效率ηrd之积，即ηr=ηraηrd。从这个公式可以看出，接收天线阵列对空间电磁来波的高接收效率是保证整流天线阵列高转换效率的前提，对于整流天线阵列的转换效率，有研究[13]表明，其转换效率不仅依赖于电路而且还跟电路间的连接方式有关。本文主要讨论的是整流天线阵列对空间电磁来波的接收效率ηra。

2整流天线阵列接收效率的计算模型

为了研究天线单元形状及排列组阵对整流天线阵列接收效率ηra的影响，在每一个天线单元后面都接上50 Ω的线性负载，建立了整流天线阵列对空间电磁来波接收效率的计算模型，如图3所示。

图3　整流天线阵列接收效率计算模型

设入射到整流天线阵列物理口径平面的微波功率为Pin，忽略天线阵列的介质损耗，可以把Pin的去向分为3部分：整流天线阵列表面对空间电磁来波的反射功率Prf、透射功率Ppt及所有线性负载的吸收功率Pload，则有

Pin=Prf+Ppt+Pload。

(1)

第i个天线单元负载电阻R的吸收功率为Ploadi，整个整流天线阵列对空间电磁来波的接收功率和为Pload。定义整流天线阵列对空间电磁来波的接收效率为：

(2)

通常对于整流天线阵列的排布设计，都是以其最大增益或口径效率为设计目标，而本文采取直接优化ηra的大小，便可获得最佳排列组阵，以实现整流天线阵列对空间电磁来波的高接收效率，为其高转换效率提供了保障。同时，为了对比不同天线单元形状及不同排列组阵方式对整流天线阵列接收效率的影响。本文首先设计了矩形、圆形和三角形这3种微带贴片天线单元，然后分别以发射天线阵列最大口径效率和接收天线阵列最高接收效率ηra为目标进行优化排列组阵，最后仿真计算并对比各天线阵列对空间电磁来波的接收效率。

3仿真及结果分析

3.1仿真计算

本文在5.8 GHz频段，设计了3种不同形状的线极化天线单元，即矩形微带贴片天线、三角形微带贴片天线和圆形微带贴片天线，如图4所示。通过电磁仿真软件的优化，具体设计参数如下：L=14.77 mm，W=19.14 mm，a=19.25 mm，r=8.25 mm。图4中的小圆圈是同轴线馈电所在位置发射系数S11都小于-20 dB，输入阻抗Z11约50 Ω。微波介质基板采用F4BM265，相对介电常数为2.65，厚度为1 mm。

图4　3种微带贴片单元

为了探讨天线单元形状及不同优化目标所得阵列参数对整列天线阵列接收效率的影响，分别对3种微带贴片天线单元在电磁仿真软件中进行组阵建模。阵列结构示意图如图5所示。阵列的数目为10×10，贴片单元距边缘为6 mm，单元中心位置之间的横向间距和纵向间距分别用dx和dy表示。对于参数dx和dy的确定，第1种方法是给予每一个天线单元等幅同相的激励，按照发射天线阵列以最高口径效率为目标进行优化；第2种方法是根据第2部分建立的整流天线阵列接收效率计算模型，在每一个天线单元后面都连接上一个50 Ω的线性负载，以最高接收效率为目标进行优化。本文仿真并计算了3种微带天线阵列在2组不同dx和dy参数排列下的接收效率。

图5　10×10阵列结构示意

3.2结果分析

对于天线阵列，都是根据天线的互易性，直接按发射天线阵列去进行设计，但并不是所有适合用于发射的天线也适合用于接收[14]。发射天线的主要目的是在某个或某些接收点获得尽可能大的场强，追求高效率和高增益，而接收天线追求低旁瓣更胜于高增益。因此，本文一方面根据天线阵列理论，给予每一个天线等幅同相的激励，按照发射天线阵列以最高口径效率为目标对阵列参数dx和dy进行优化，当优化结果达到最佳时，把每一个天线端口改为接上50 Ω的线性负载，仿真计算此阵列参数排布下天线阵列对空间电磁来波的接收效率，结果如表1所示。另一方面，在无线能量传输系统中，由于整流天线阵列中的接收天线阵列，对空间电磁来波的接收效率是衡量其性能的唯一指标，所以本文采取以接收天线阵列最高接收效率为目标进行优化，所得阵列参数和最佳接收效率结果如表2所示。

表1　按照发射天线阵列口径优化下的接收效率

表2　按照接收天线阵列直接优化下的接收效率

从表1和表2可以看出，同种排列组阵方式下，3种不同形状的天线单元所组成的接收天线阵列，对空间电磁来波的接收效率都有着一定的差异。通过对比表1和表2中同种天线单元组成的接收天线阵列的接收效率，数据显示，以接收天线阵列最高接收效率为目标进行优化排布的整流天线阵列，对空间电磁来波的接收效果较好，为其高转换效率提供了保障。按照发射天线阵列对用于整流天线阵列中的接收天线阵列进行设计时，忽略了天线单元的耦合效应，但就是由于阵元间耦合的存在，每一个天线单元的输入阻抗发生了变化，不再是50 Ω。当在每一个天线单元后面改接上一个50 Ω的线性负载，作为整流天线阵列中的接收天线阵列使用时，由于负载跟天线单元端口输入阻抗的不匹配，引起了微波功率的反射，导致了其对空间电磁来波的接收效率不能达到最佳。此外，天线阵列中阵元的输入阻抗不仅跟天线阵列单元之间的排列间距相关，还跟阵列中每一个天线端口的电压和电流比值有关，计算起来比较复杂，很难做到每一个天线单元端口的阻抗匹配。所以，本文采取在天线阵列每一个天线单元后面接上50 Ω的线性负载，以其对空间电磁来波的最高接收效率为目标进行优化,不需要再额外考虑阵元间耦合效应的影响，不仅接收效果较好而且也方便跟整流电路的匹配连接。

4结束语

本文研究了天线单元形状和排列组阵方式对整流天线阵列接收效率的影响，得出如下结论：按照发射天线阵列高口径效率的排列参数，对整流天线阵列进行排布，其接收效率不能达到最佳；为了保证整流天线阵列的高接收效率，建议以其最高接收效率为目标直接进行优化排列组阵；天线单元形状会影响整流天线阵列的接收效率。此外，为了提高整流天线阵列的系统效率，加快太阳能卫星电站的建设，下一步将对整流天线阵列的转换效率及总体效率进行探讨与研究。

参考文献

[1]BROWN W C.The History of Power Transmission by Radio Waves[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1984,32(9):1 230-1 242.

[2]MCSPADDEN J O,MANKINS J C.Space Solar Power Programs and Microwave Wireless Power Transmission Technology[J].Microwave Magazine,IEEE,2002,3(4):46-57.

[3]黄吉金，黄珊.微波能量传输技术及其应用发展方向[J].微波学报，2012(S2)：485-490.

[4]GLASER P E.Power from the Sun:Its Future[J].Science,1968,162(3856):857-861.

[5]杨雪霞.微波输能技术概述与整流天线研究新进展[J].电波科学学报，2009，24(4)：15-20.

[6]DICKINSON R M.Performance of a High-Power,2.388 GHz Receiving Array in Wireless Power Transmission Over 1.54 km[C]∥Microwave Symposium,1976 IEEE-MTT-S International,IEEE,1976(76):139-141.

[7]SHINOHARA N,MATSUMOTO H.Experimental Study of LargeRectenna Array for Microwave Energy Transmission[J].Microwave Theory and Techniques,IEEE Transa-ctions on,1998,46(3):261-268.

[8]MATSUMOTO H,HASHIMOTO K,SHINOHARA N,et al.Experimental Equipments for Microwave Power Transmission in Kyoto University[C]∥Solar Power from Space-SPS′04,2004(567):131.

[9]FUJINO Y,FUJITA M,KAYA N,et al.A Dual Polarization Microwave Power Transmission System for Microwave Propelled Airship Experiment[C]∥Procee-dings of the International Symposium on Antennas and Propagation Japan,1996(2):393-396.

[10]STRASSNER B,CHANG K.Highly Efficient C-band Circularly Polarized Rectifying Antenna Array for Wireless Microwave Power Transmission[J].Antennas and Propagation,IEEE Transactions on,2003,51(6):1 347-1 356.

[11]MATSUMOTO H,HASHIMOTO K.Report of the URSI Inter-commission Working Group on SPS[M].America:URSI,2007.

[12]邓强.5.8 GHz回旋波整流器的研究[D].成都：电子科技大学，2013.

[13]SHINOHARA N,MATSUMOTO H.Dependence of Dc Output of aRectenna Array on the Method of Interconnection of Its Array Elements[J].Electrical Engineering in Japan,1998,125(1):9-17.

[14]KRAUS J D,MARHEFKA R J.Antennas[M].America:McGraw-Hill,2001.

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.16

收稿日期：2016-03-23

中图分类号TN820.1

文献标志码A

文章编号1003-3106(2016)07-0060-04

作者简介

韩英女，(1989—)，硕士研究生。主要研究方向：微波系统与设计。

黄卡玛男，(1964—)，教授，博士生导师。主要研究方向：电磁场微波工程与微波能应用。

Research on Receiving Efficiency of Rectenna Array for Microwave Power Transmission Applications

HAN Ying,HUANG Ka-ma

(CollegeofElectronicandInformationEngineering,SichuanUniversity,ChengduSichuan610065,China)

AbstractRectenna array is an important component of a microwave wireless power transmission system,its receiving and converting efficiencies are crucial to the wireless power transmission.In this paper,a rectangular,a circular and a triangular microstrip patch antenna array are designed at 5.8 GHz and optimized respectively as transmitting antenna arrays for the highest aperture efficiency and receiving antenna arrays for the highest receiving efficiency.The receiving efficiency of these arrays for space electromagnetic waves is simulated and calculated by the electromagnetic simulation software.The simulation results show that the shape of antenna element will affect the receiving efficiency of rectenna array,and the rectenna arrays optimized for the highest receiving efficiency have better receiving performance for space electromagnetic waves.

Key wordsmicrowave wireless power transmission;rectenna array;element shape;arraying;receiving efficiency

引用格式：韩英,黄卡玛.微波输能应用中整流天线阵列接收效率的研究[J].无线电工程,2016,46(7):60-63.