滤波天线技术在微波能量传输中的应用研究①

董亚洲，董士伟，王 颖，刘 硕，李小军

(中国空间技术研究院西安分院 空间微波技术重点实验室，西安 710000)

0 引言

微波无线能量传输(Microwave Power Transmission, MPT)是指不使用电缆而采用微波辐射传输的方式将电能从一个装置传递到另外一个装置，是无线能量传输的一种实现方式，与感应耦合和磁场谐振耦合等近场无线能量传输方式相比其传输距离远，与激光能量传输相比，其受天气、云层等的影响小，可全天候保持较高的传输效率[1]。微波无线能量传输摆脱了传统能量传输的电缆限制，可以满足多个领域的应用需求也得到了越来越多的重视，如空间太阳能电站、分布式卫星系统、在轨服务与维护系统等空间应用以及电磁能量获取、无人机无线输能、特殊场合下无线输电等地面应用[2-4]。

在微波能量传输系统中，整流天线阵列完成微波能量的接收和整流，整流天线的设计对于保证微波能量传输的整体效率至关重要。整流天线由接收天线单元和整流电路构成，通常在接收天线和整流电路之间包含一个低通滤波器用来抑制高次谐波的再次辐射。整流天线中所用的接收天线可以是任意形式，如偶极子、八木天线、微带天线以及抛物面天线等，目前的研究中以微带天线为主[5,6]。常规整流天线中存在的滤波器、阻抗匹配网络等损耗及普通微带天线的窄带特性，使得其效率及带宽等特性存在可提升的空间。

近年来，滤波天线技术在天线与微波技术研究领域受到持续关注[7-11]，滤波天线将天线辐射单元看作滤波器电路理论中的一个谐振单元，将天线与滤波器结合在一起进行集成设计，可灵活控制天线的频率响应，从而易于设计宽带天线并提高天线与电路的集成度。而微波无线能量传输中的整流天线中通常包含前端滤波器用于抑制二极管非线性产生的高次谐波再辐射。从提高效率和集成度方面考虑，也亟需研究高效高集成度的整流天线技术，因此可考虑将集成滤波天线的概念和理论将其与整流电路相结合，开展滤波整流天线技术研究。

本文首先简要介绍了滤波天线及整流天线的发展现状及趋势，在此基础上提出将滤波天线的概念与整流电路相结合，开展滤波整流天线技术研究，并给出了滤波整流天线建模的初步研究成果。

1 整流天线与滤波天线国内外研究现状

1.1 微波整流天线技术发展现状及趋势

微波能量接收整流作为微波能量传输系统中的重点关键技术，各国的科研机构都针对各种不同应用的需求开展了广泛而深入的研究[12-14]。根据目前微波能量传输系统中存在的问题及未来的发展需求，微波能量接收整流技术的发展趋势主要包括以下几个方面：

(1)高频段微波能量接收整流技术

现阶段微波能量传输技术面对的一大问题是为了保证高效传输，收发天线的尺寸较大，显而易见提高工作频率可以减小微波能量收发设备的尺寸。2017年以色列特拉维夫大学的研究人员提出了一种基于65nm CMOS工艺的W频带微波能量收集整流天线，采用了在片天线设计，工作在95GHz，面积仅为0.611mm2，输出功率为0.2mW，整流效率6%[15]。

(2)宽带化/多频带微波能量接收整流技术

对于微波能量收集来说，微波能量接收整流部件的工作带宽越大，则收集到的能量越多，因为宽带化/多频带的微波能量接收整流技术成为了发展趋势之一。

2004年美国科罗拉多大学研制了一种64单元宽带双圆极化螺旋天线阵列[16]，该工作频段为2～18GHz，在入射波功率密度为10 mW/cm2时，对于任意极化方式条件下整流效率可达20%以上。电子科技大学在2014年设计了一种应用于微波能量传输的宽带整流电路[17]，工作频带在1.9-2.5 GHz，最低转换效率超过49%。2017年香港科技大学的学者提出了一种双端口三频带的微带整流天线，可用于环境射频能量收集，将两个单端口馈电的微带天线背靠背堆叠，分别吸收半空间的电磁波，采用L形探针馈电拓展带宽，可工作在GSM-900，GSM-1800和UMTS-2100三个频带[18]。

(3)低功率整流天线技术

对于环境微波能量收集与获取来说，其微波能量密度很低，高效低功率整流天线技术可更加高效地收集能量。2012年日本采用差模整流天线实现低功率密度区域的高效整流[19]，采用三个微带天线单元和两个整流二极管形成镜像对称结构，使得加到整流二极管两端的电磁波相位相反，施加的射频电压为普通整流天线的两倍，从而在低功率密度时仍然能够实现高效整流。

(4)基于电磁超材料的低反射接收整流技术

在微波能量传输中传统的接收天线后向反射将导致微波能量散射，使得接收到的能量减少，同时微波能量波束到达角度的动态变化也将影响接收整流效率。在此背景下，基于电磁超材料的低反射接收整流技术成为发展重点之一。2014 年，西安空间无线电技术研究所和浙江大学研究小组提出了微波整流电磁超表面思想，并采用嵌入整流电路的I形亚波长单元构建了均匀序微波整流表面，工作频率为2.18 GHz，在垂直入射和0.1mW/cm2功率密度条件下，吸收率达到 99.92%，实现了27.71%的接收整流整体效率[20]。

(5)适用于信息与能量协同传输的接收整流技术

无线系统通常平时需要面对能量供应与数据通信的需求。2013年上海大学杨雪霞教授提出了一种适用于信息与能量协同传输系统的整流天线，将双极化天线作为接收天线，利用双端口馈电的方式解决信息与能量协同接收问题，两端口之间隔离度较高，可以减小信息与能量传输之间的相互影响[21]。2017年电子科技大学杨雪松、王秉中教授等人提出了一种双通道频率可重构整流天线用于微波能量传输和数据通信，采用两端口馈电偶极子天线，在馈电网络上通过二极管来控制天线的工作频带，使两端口分别工作在同频或不同频，采用缺陷地结构使两端口之间的隔离度达15dB以上[22]。

(6)整流天线集成设计技术

为了提高整流天线的集成度，有学者提出可采用具有谐波抑制功能的接收天线，以省去整流电路中的前端滤波器。2010年上海大学杨雪霞教授等人设计了微带馈线下具有DGS(缺陷地结构)的圆极化贴片天线用于避免谐波辐射。微带馈线下的地板上的双哑铃状DGS结构可抑制谐波，该天线工作频率5.8GHz处的反射系数为-30dB，二次谐波11.6GHz处的反射系数为-3dB[23]。

2018年四川大学报道了一种具有谐波抑制功能的C频段圆极化整流天线阵列，天线采用了SIW技术来提高增益、全向性以及抑制表面波，在馈电微带线上加载了一段开路枝节来抑制二次谐波，该天线工作在5.8GHz，二次谐波频率11.6GHz处的回波损耗约为-0.876dB[24]。

目前的整流天线集成设计中大多仅考虑到对谐波的抑制，而通过整体集成设计全面提升整流天线带宽、抑制度、整流效率等性能的研究较少，继续开展进一步深入研究。

1.2 滤波天线技术发展现状及趋势

传统微波射频前端中的天线、滤波器、功分器、双工器均是各自独立分别设计再级联在一起，这种方法导致射频前端体积较大，而且受限于各部件互联时的损耗、不匹配等。为了提高天线及射频前端的频率响应特性并减小射频前端的体积，有学者将滤波器和天线集成在一起，形成了"滤波天线"，并在近年来得到了极大关注，主要具有以下优点：

1)提高天线阻抗带宽；

2)类似滤波器的频率选择特性；

3)宽带谐波抑制特性；

4)提高了天线与射频前端的集成度。

台湾新竹交通大学的研究人员提出了一种滤波天线，将L形天线单元与N-1个平行半波长微带谐振器集成在一起，形成了N阶集成滤波天线，见图1。为了验证该思想，设计制作了工作频率为2.53GHz的三阶集成滤波天线原型，实际工作带宽可达3%[7]。为了减小损耗并提高带外抑制度，利用SIW谐振器的高Q值，将缝隙天线和SIW谐振器集成，美国中佛罗里达大学的研究人员在2010年提出了三维集成滤波天线，见图2，工作频率为10.18GHz，带宽可达2.9%[8]。

图1 文献[7]中的滤波天线Fig.1 Filtering antenna in Ref.[7]

图2 基于SIW的三维滤波天线Fig.2 3D Filtering antenna base on SIW

2016年英国肯特大学的研究人员将集成滤波天线进一步发展，利用谐振器耦合网络实现了功分功能，提出了集成滤波天线阵列。设计研制了S频段2×2滤波天线阵列，如图3所示，具有带宽较宽、频率选择性好、谐波抑制度高等优点[11]。

图3 集成滤波天线阵列Fig.3 Integrated filtering antenna array

2 滤波整流天线概念与建模分析方法

2.1 滤波整流天线概念

综上所述，整流天线的高效率、高集成以及宽带设计的研究本身就有待深入，集成滤波天线在更高性能更多功能集成方面的研究也需要进一步深入，其在微波整流天线应用方面的研究更是存在明显空白。本文提出将集成滤波天线的概念和理论与整流电路相结合，针对微波无线能量传输系统中整流天线的性能需求，开展集成滤波整流天线技术研究。

滤波天线的概念应用于整流天线设计，可避免使用滤波器并提高整流天线的集成度。由于整流电路的输入阻抗通常为复数阻抗，因此特别希望设计具有复数阻抗的滤波天线。由此可提高整流天线的总体效率。迄今为止，大多数关于滤波天线的研究目标是改善无线通信系统中的频率选择特性，其仅关注频率响应。但是这不能满足微波无线能量传输中整流天线的要求。如图4所示，本文所提出的基于复数阻抗匹配滤波天线的整流天线设计完全消除了传统整流天线设计中天线单元和整流电路之间的滤波器和阻抗匹配网络。

2.2 建模分析方法

在滤波天线理论、建模与分析方法研究中将天线单元作为谐振单元与集成滤波、滤波功分网络一起，采用滤波器电路理论与天线辐射场理论结合的方法进行建模与分析。图5给出了采用双模枝节线加载谐振器(Stub-loaded Resonator，SLR)的滤波天线单元的结构模型及其等效电路模型。还可采用其他类型的谐振器如发夹形、SIW谐振腔等来获得更高的Q值更低的损耗性能。将多个谐振器级联耦合与天线谐振单元联合分析，便可得到具有功分/功合、集成滤波天线阵列结构。

图4 基于复数阻抗匹配滤波天线的整流天线设计Fig.4 Rectenna design based on complex impedance matching filtering antenna

(a)双模枝节线加载谐振器的滤波天线单元结构模型

(b)等效电路模型图5 滤波天线示例等效电路模型Fig.5 Equivalent circuit model of filtering antenna example

针对微波无线能量传输中的整流天线应用需求，由于整流器件输入阻抗大多为复数阻抗，且随频率和输入功率而变化，为实现滤波天线与整流电路的高度集成，必须使得集成滤波天线在维持特定滤波性能的同时具备任意复数阻抗匹配功能。本项目计划研究基于等效电路模型和耦合矩阵的复数阻抗匹配滤波理论，以微波滤波器的等效电路模型综合方法为基础，推导出新的耦合矩阵，阻抗匹配由调整耦合矩阵中的外部品质因数和自耦合系数来实现，由该耦合矩阵描述的滤波天线源阻抗和负载阻抗可以是任意的复数。图6给出了复数阻抗匹配滤波天线的原理图和等效电路图，其阻抗矩阵形式如下式所示。

(1)

(2)

根据滤波天线的物理结构将ZS设为空气波阻抗，推导出耦合矩阵，通过耦合矩阵可以计算出滤波器的响应进行研究分析。建立了滤波天线复数阻抗匹配滤波理论模型以后，即可结合多种新型滤波天线单元和阵列结构进行仿真研究。

(a)原理图

(b)基于K 变换器的等效模型图6 复数阻抗匹配滤波天线等效模型Fig.6 Equivalent model of complex impedance matching filtering antenna

4 结束语

微波无线能量传输与电磁能量获取是无线电科学技术的新应用，它可能改变能量的产生方式和传输方式(由有线到无线)，将成为人类科学技术的巨大进步。本文根据滤波天线与整流天线的实际特性，将天线理论与电路理论联系起来，将天线辐射单元看作谐振器，与电路中其他谐振腔的谐振频率和耦合系数可根据天线结构的物理属性确定，从而建立复数阻抗匹配滤波天线的等效模型，有望应用于高集成度整流天线设计，提高微波能量收集与转换效率和系统部件的集成度，也必将显著提升微波无线能量传输系统的整体效率。