基于相控阵天线的微波输能实验教学系统设计与实现

傅世强, 李婵娟, 房少军

(大连海事大学 国家级电工电子实验教学示范中心, 辽宁 大连　116026)



基于相控阵天线的微波输能实验教学系统设计与实现

傅世强, 李婵娟, 房少军

(大连海事大学 国家级电工电子实验教学示范中心, 辽宁 大连116026)

为了跟踪技术前沿,让学生更好地掌握相控阵天线原理和微波无线能量传输技术,提出了在微波技术与天线课程中增加相控阵天线和微波输能方面的综合创新性实验教学方案,研制了基于相控阵技术的微波输能实验教学系统。该系统工作于ISM开放频段2.45GHz,由发射端的十六元天线阵和波束控制网络，以及接收端的四元天线阵和微波整流电路组成,采用模块化设计思路,具有实验原理清晰和实验现象直观的特点。实验方案的设计具有创新性环节,以各单元模块的设计、仿真、制作、测试为基础过渡到系统集成,利于培养学生的综合能力和创新精神。

相控阵天线； 微波输能； 模块化设计； 实验教学

随着科学技术的不断提高,无线通信终端设备正朝着频率越来越高、功能越来越强、功耗越来越低的方向发展,由此带来了天线和射频微波电路技术人才的需求,出现了天线和射频工程师短缺的状况。“微波技术与天线”和“射频电路设计”是培养天线和射频工程人才最重要的课程,由于该类课程公式繁杂、内容抽象,且工程性和实践性较强,因此实验教学在课程教学中发挥着重要作用[1]。为了节约实验成本,采用计算机虚拟现实的辅助教学方法[2-4]虽然可以提高学生的学习兴趣,但不利于加深学生对课程理论内容及实际应用的理解,且不具备创新性。设计出具有创新设计性的实验是射频微波与天线实验教学面临的一个挑战。文献[5]提出了一套与企业产品开发流程相一致的工程化实验教学方案,包含设计、仿真、制作和测试等实验环节,让学生全程自己动手设计和制作射频电路器件,大大增加了学生自主创新的空间。文献[6]提出一套射频微波与天线类课程综合创新性实验教学系统,不仅设计思路模块化和形象化,而且实验内容更具设计性,应用于实验教学取得了满意的效果。

为了适应现代相控阵雷达的新发展需求[7],相控阵天线的实验教学逐渐受到了重视。由于相控阵系统复杂且成本高,多数高校使用仿真软件来模拟相控阵天线的实现过程[8],或者基于实验测量并利用计算机软件开发相控阵天线实验系统[9]。这些实验系统确实能够提高学生对相控阵的理解,但实验内容不具备设计性,并且与实际工程存在一定的脱节。相控阵技术已经广泛应用于当今移动通信智能天线中,人们可以随时随地获取信息,进而也提出了随时随地获取能量的需求。人类环境中存在丰富的电磁波,将环境射频能量经过收集、转换用于低功耗电子设备,既有经济价值,又具有社会意义[10]。为了让学生更好地了解无线输电的知识,文献[11]研制了一套使用微波进行点对点的无线能量传输设备,让学生更直观地了解到无线输电的前沿知识。

为了跟踪技术前沿。适当增加一些前沿的、热门的知识内容,使枯燥乏味的教学变得生动起来,充分调动学生的学习兴趣和积极性,本文借鉴了国外高校成功的教学模式和教学经验[12],提出了在微波技术与天线课程中增加相控阵天线和微波输能方面的综合创新性实验教学方案,并研制了基于相控阵技术的微波输能实验教学系统。

1　系统组成及实验方案

该系统包括相控天线阵、波束控制网络、接收天线阵和微波整流电路。由微波信号源输出1W的射频信号通过波束控制网络的功分移相电路,接到发射相控天线阵,调节天线阵的馈电相位差实现波束的扫描,电磁波传输一定距离后由接收天线阵接收并滤波整流,最终输出直流功率点亮负载端LED灯,从而实现电磁波传播的可视化和相控阵波束扫描的形象化教学。

微波输能系统是发射端将能量以高频电磁波形式发射,接收端接收到发射端发出的高频电磁波能量,并将其转化为直流能量供后续电路工作的系统。通过这种传输方式,能量便可以在空间实现无线传输。在一些实际应用中,如利用微波输能给移动飞行器或管道机器人提供能量,即要求对移动目标输能,这就需要发射天线具有随动功能,可由相控阵天线完成。鉴于此,本文基于相控阵原理设计了一套完整的微波输能实验教学系统,系统框图如图1所示。

图1　基于相控阵技术的微波输能实验教学系统框图

该系统功能的整体实现采用模块化的设计思路,硬件结构主要由发射和接收两个部分组成。在发射系统部分,微波信号首先经过波束控制馈电网络,进行等功率分配给每列单元天线的移相器,经过一定的移相后再激励相控天线阵的辐射单元,利用相邻列单元天线之间的信号相位差,实现天线波束即微波能量的空间扫描。发射出的电磁波经过自由空间的传输到达接收端。在接收系统部分,空间电磁波首先由接收天线阵转化为电路中的交变电流,然后输入到微波整流电路,微波整流电路中的低通滤波器和直通滤波器作为输入和输出滤波器,作用是让天线接收到的基波顺利进入二极管整流并输出直流,让各类谐波被约束在输入和输出滤波器之间,以提高二极管的转换效率,最终输出的直流能量点亮负载端的LED灯，通过射频开关实现波束扫描点亮不同的LED灯来模拟相控阵微波输能效果。

设计的基于相控阵技术的微波输能实验教学系统能够形象生动地显现电磁信号的产生和传输,并可直观感知波束扫描的电磁特性和规律,从而在实验教学中易于激发学生学习兴趣,引导学生从观测的现象中

思考和发现问题,调动学生主动开展研究性学习。实验方案的设计围绕着系统功能展开,包括理论设计、电磁仿真、器件制作和仪器测量等方面。设计教学过程时,可以根据需要控制各通道的幅度和相位,实现特定的组阵、波束设计及波束扫描功能。整个实验系统涉及多种射频微波器件,如功分器、移相器、射频开关、滤波器、检波器、天线和天线阵等,每一个器件单元模块都可以开设创新设计性实验,以各单元模块的设计、仿真、制作、测试为基础逐步进入到系统集成,让学生逐步建立起系统的概念,并能够在系统的层面上分析和调试。本实验教学系统的教学效果和影响远远超越了原有单纯的单元式和验证性实验。

2　系统设计与实现

2.1十六元相控天线阵设计

设计的相控天线阵采用4×4微带天线平面结构,天线辐射单元采用缝隙耦合及偏馈的方法，既扩大了微带天线的带宽,又有利于天线的加工制作和系统集成。缝隙耦合馈电结构由两层介质基板构成,辐射贴片和微带馈电网络线分别处于地板的两侧,通过在接地板上刻槽的方式,使得微带馈线和辐射贴片直接通过缝隙进行耦合。天线阵HFSS仿真模型和加工实物如图2所示。这种馈电方式因为接地板的存在,馈电网络产生的辐射不会干扰天线的辐射特性,并且通过调节馈线的长度、宽度、位置,易于实现阻抗匹配。

图2　十六元相控天线阵的仿真模型与实物

馈电网络采用Wilkinson功分器结构,利用ADS进行快速初步电路设计,然后再用HFSS结合天线进行电磁场仿真。每列阵采用一分四等功分器分别馈电,四列天线阵的输入相位设置为等差45°。从仿真结果可知,天线最大辐射方向偏离了法向10°左右,实现了波束扫描的功能。为降低实验成本,馈电功分网络采用厚度为1.5mm的FR4射频电路板,上层天线采用聚四氟乙烯介质基板上粘贴铜箔的形式。在2.4～2.52GHz的频带范围内,回波损耗都大于10dB,带宽达到了120MHz,且中心频率处的回波损耗值为32dB,匹配状态较好,天线阵增益达到15dB。

2.2波束控制网络设计

数字移相器是相控阵天线的关键组件,整个相控阵天线依靠移相器来实现波束在空间中的扫描。数字移相器一般由射频开关和传输线构成。改变射频开关的控制偏压,移相器电路呈现上下支路分别导通的状态。各支路的等效电长度不同而产生相移。图3(a)为开关线型移相器原理示意图。由于PIN二极管的使用引入了寄生参数会严重影响匹配,为此在直流偏置电路中通过将电感和一段微带线组合来对这种失配进行补偿,同时该电感的引入还可以起到对直流偏置电路中的射频信号进行扼流的作用。

加工的波束控制功分移相馈电网络实物如图3(b)所示,采用PIN二极管开关线型移相器级联的结构,实现了单支路2bit共4种相位的变化。通过控制二极管的通断,可以实现0°、45°、90°、135°的相移变化。采用SKYWORKS的SMP1340_011作为开关二极管,利用ADS和HFSS相结合的仿真设计方法,有效地缩短了调试过程。实测各支路回波损耗大于12dB,插入损耗在9dB左右,理想情况下一分四功分器固有分配损耗6dB,考虑到二极管导通时等效的小电阻引入一定损耗,外加介质板损耗,9dB的插入损耗趋于合理。理论设计的45°和90°相移,实际测试相移为43°和89°,满足设计要求。

2.3四元接收天线阵设计

单元天线采用嵌入式馈电的微带天线结构,简单易于匹配。为了提高后续电路二极管的整流效率,使其在较低功率密度条件下也能获得足够的输入功率,将单元天线组成2×2天线阵以提高天线增益。设计的四元阵接收天线,在提高增益的同时还可以通过调节各单元天线之间的间距来调节主瓣宽度,增加了接收天线对方向性的灵敏度。设计的四元接收天线阵HFSS仿真模型如图4所示。为了便于与微波整流电路集成,馈电网络采用T型功分匹配结构,且2个单元一组进行反相馈电,简化了馈电网络结构。仿真结果表明,四元天线阵获得了很好的匹配,回波损耗曲线关于中心频率2.45GHz对称,10dB带宽达到了80MHz。由于采用低成本FR4射频板,天线阵增益仅为8.5dB,后续可以考虑使用低损耗微波材料板进一步提高天线阵增益。

图3　开关线型移相器原理示意图及波束控制功分移相馈电网络实物图

图4　四元接收天线阵HFSS仿真模型

2.4微波整流电路设计

对于整流电路来说,整流二极管的选择至关重要,这直接影响到整流电路的转换效率,影响整个电路的性能。通常来说,肖特基整流二极管的结电容、串联电

阻以及寄生参数越小越好。综合考虑二极管自身的特性以及整流电路的实际需要,选择了适合低输入功率的HSMS285C倍压整流二极管,在 2.45GHz工作频率下具有较低的正向开启电压和小的结电容。在整流二极管的前端加入高低阻抗线低通滤波器,二极管的后端和并联电容之间加四分之一波长的微带线构成直通滤波器,将由二极管非线性产生的谐波抑制在二极管的两端,回收谐波的能量,最终也变为直流输出,大大提高了二极管的整流效率；直通滤波器的四分之一波长传输线和二极管前端的并联枝节可以调节二极管的最佳工作点,减小由实物加工误差所引起的谐振点偏移,提高了整个整流电路的工作性能。整流输出的直流能量直接提供给负载端的SML-211UT高亮LED灯,输出电压越大LED灯点亮程度越高。整流电路和接收天线集成实物图见图5。

图5　微波整流电路和接收天线阵集成实物图

2.5系统测试实验

系统测试实验选用微波扫频信号发生器产生2.45GHz的点频信号,根据实现距离需要可以适当增加功率放大器模块以增大信号传输距离。搭建整个相控阵微波输能系统,将信号发生器产生的信号经放大后接入波束控制网络一个输入端,波束控制网络的4个输出端分别接相控天线阵的4个输入端口,通过改变波束控制网络的二极管工作开关状态,进行不同支路的移相操作,从而实现发射端波束切换扫描的效果。接收端将一体化设计的接收天线阵微波整流电路单元粘贴到发泡板上进行组合,单元数量越多,实验效果越好。系统整体连接图如图6所示。打开信号源,接收端的LED灯被点亮,实现了空间的微波能量传输,并且拨动波束切换开关,通过控制馈电相位差还可进行波束的扫描,实现了不同位置的LED点亮的效果,非常直观形象。这也说明天线阵的方向扫描是由于激励信号的相位变化引起的,便于学生理解相控阵名称的由来。

图6　基于相控阵技术的微波输能实验教学系统整体连接图

3　结论

相控阵天线技术和微波输能技术是当前天线微波领域研究的前沿和热门技术。为了在教学中引进热门技术,本文设计并实现了一套基于相控阵技术的微波输能实验教学系统。通过该系统的实验教学,让学生直观感知相控阵天线辐射电磁波的特性,使学生明白微波也可以作为电能的载体,实验结果形象且有动感,能够提高学生的学习兴趣,增强学生对前沿热门技术的探索。该实验教学系统采用了模块化设计思路,每一个单元模块都具有设计性实验内容和发挥学生创新性的环节,以各单元模块的设计、仿真、制作、测试为基础逐步进入到系统集成,易于提高学生的创新精神和综合设计能力,从而增强学生的就业竞争力。

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Designandrealizationofmicrowavepowertransmissionexperimentalteachingsystembasedonphasedarrayantenna

FuShiqiang,LiChanjuan,FangShaojun

(CenterofNationalElectricalandElectronicExperimentTeaching,DalianMaritimeUniversity,Dalian116026,China)

Inordertokeeptrackofthetechnologyandmakethestudentshaveabettergrasptheprincipleofphasedarrayantennaandmicrowavepowerwirelesstransmission,thecomprehensiveinnovativeexperimentalteachingmethodhasbeenputforwardinMicrowaveTechnologyandAntennacourse.Theexperimentalteachingsystemofmicrowavepowertransmissionbasedonphasedarrayantennatechnologyhasbeendeveloped.ThesystemworksintheISMopenfrequencyband2.45GHz,whichiscomposedofsixteen-elementantennaarraywithbeamcontrolnetworkatthetransmitterandfour-elementantennaarraywithamicrowaverectifiercircuitatthereceiver.Themoduledesignmethodisadopted.Theexperimentalprincipleandexperimentalphenomenonareclear.Thedesignoftheexperimentisinnovative.Thesystemisintegratedbasedonthedesign,simulation,fabricationandtestingofeachunitmodule.Itcanhelpthestudents’todevelopcomprehensiveabilityandinnovativespirit.

phasedarrayantenna;microwavepowertransmission;modulardesign;experimentalteaching

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.023

2015- 11- 12修改日期：2015- 12- 29

辽宁省教育厅教改项目(UPRP20140812)；大连海事大学教改项目(2014Q07)

傅世强(1981—)，男，山东龙口，博士，副教授，主要从事天线与射频电路方面的教学和科研工作.

E-mail：fushq@dlmu.edu.cn

TM724.1；G484

A

1002-4956(2016)5- 0087- 05