一种用于微波无线能量传输的S波段圆极化整流天线设计

李勋勇，许立强，余泽，刘长军

四川大学 电子信息学院，四川 成都 610064

微波无线能量传输(wireless power transmission，WPT)是将微波作为能量传输的载体，用于实现能量无线传输的一种技术。在空间太阳能电站、空间电磁能量回收和移动无线充电等领域具有良好的应用前景[1-3]。WPT系统通常包括微波源、发射天线和整流天线，其中整流天线是系统的核心器件之一，核心指标是微波到直流的转化效率。

传统整流天线常采用天线和整流电路的分离设计，天线多采用线极化天线。分离设计会导致整流天线体积大[4]；极化匹配状态对线极化整流天线的效率影响很大[5-6]。尤其在针对移动目标的无线能量传输应用中，极化匹配的影响更高[7]。因此，迫切需要整流天线的一体化和圆极化设计。

本文提出了一款结构紧凑的基于CPS传输线的微波整流电路，直接与交叉偶极子组成的圆极化天线连接，实现了结构轻巧的圆极化整流天线。由于没有微带线和同轴结构，避免了平衡与非平衡的变换，该圆极化整流天线具有结构紧凑和效率高的特点。

1 圆极化天线设计

将一对偶极子交叉放置组成交叉偶极子天线，具有结构简单、紧凑、重量轻等优点[8-11]。偶极子天线的电长度λ/2时，阻抗接近纯阻；当电长度大于或小于λ/2时，其阻抗分别表现为感性或容性。偶极子上对应电流的相位存在滞后或者超前。优化尺寸使得偶极子上的电流相位差满足90°，可实现圆极化辐射。

交叉偶极子天线为平衡式结构，测量其天线性能时需要巴伦实现平衡变换。本文设计加工了一个巴伦，通过CPW-CPS-CPW背靠背的结构，进行测试。其模型和实物以及回波损耗仿真与实测对比如图1所示。巴伦使用RF4介质板，厚度为0.6 mm，主要参数wcpw、gcpw、scpw和wcps分别为3.0、7.5、0.4和3.0 mm。

图1 巴伦模型和实物及回波损耗仿真和测量对比

本文设计的交叉偶极子天线辐射体采用直径为1.2 mm、厚度为0.2 mm的空心铜管，具有导电性好、重量轻、机械强度高等优点。利用偶极子长度和阻抗的关系，将两个不同长度的偶极子并联，使得它们在2.45 GHz产生90°的相位差，实现圆极化辐射。

在天线的下方约四分之一个波长处添加了反射面，提高天线的增益，减小测量中环境对天线极化纯度的影响。金属反射面采用PCB工艺实现。天线的模型和实物如图2所示，天线最终的尺寸经过HFSS（high frequency structure simulator）优化得到，其关键参数l1、l2、lref和lcps分别为27、34.5、120和16.5 mm。

图2 天线的模型和实物

图3给出了天线|S11|和轴比的仿真和实测对比结果，由图3(a)可知，在2.03～3.08 GHz的范围内|S11|均低于-10 dB，测试和仿真结果基本吻合。天线在2.45 GHz处，轴比随角度θ的变化如图3(b)所示，其中θ为0°时，轴比为1.76 dB。

图3 天线|S11|及轴比仿真与测量

图4为天线E-面和H-面方向图的仿真和实测对比图。由于微波暗室测量过程中测量装置遮挡，背向辐射测量值相比仿真值偏低。该天线在2.45 GHz处的增益为5.64 dBi，半功率波瓣宽度为85.6°。

基肥撒施后经耕翻、旋耕，再起垄移栽，每小区5垄，辣椒育苗移栽，移栽密度为100株/小区。过磷酸钙和硫酸钾均一次基施，尿素按照3-3-4的运筹比例分别在基肥-盛花期-盛果期施用，追肥方式为穴施。除肥料外，其他浇水、施用农药等管理措施均一致，试验大棚于8月下旬因暴雨受淹一次。

图4 2.45 GHz处方向图

2 CPS结构整流电路设计

CPS传输线是一种平面的双线传输线，非常方便与贴片器件连接。基于CPS传输线设计整流电路，直接与交叉偶极子天线连接，省去平衡非平衡变换。CPS传输线是一种平衡结构，很方便与偶极子等平衡型天线直接连接。CPS传输线的特征阻抗为

其中εeff为等效介电常数，s和w分别为CPS传输线的间隔和宽度传输线的间隔s对阻抗影响较大。

并联式拓扑结构在CPS设计的整流电路中具有电路紧凑、结构简单等优势。由于偶极子天线对直流为开路结构，传统微波整流电路前端的隔直电容可以省去。

整流电路模型如图5所示，由天线ANT、CPS传输线、两个电容C1和C2、肖特基二极管D和负载RL构成。利用二极管D的非线性特性将微波转换成直流，输出到负载RL，完成微波整流。天线ANT将接收的空间电磁波辐射，转化为导行波传输给二极管D。本文提出一种简洁的CPS整流电路结构。采用同一种特征阻抗的CPS传输线实现整流电路，线的宽度和间距保持不变，方便加工设计也简化结构。

图5 CPS结构整流电路

为了实现阻抗匹配和谐波回收，整流电路引入了2个并联电容C1和C2。电容C1和其前后的2段CPS传输线构成一个传输线并联电容的T型的匹配网络，用于实现天线和整流电路的匹配。C2距离二极管D约λg/4。C2形成一个微波的短路点，经过λg/4转换为开路点，从而不影响二极管D的阻抗。C2实现直通滤波，可以将微波的基频和谐波都反射回到二极管D进行谐波回收利用，而只允许直流传输到负载RL。整流电路中二极管选用HSMS-286F(Rs=6 Ω，Vbr=7 V，Vbi=0.65 V)。该二极管封装了2个相同的二极管，但设计时仅使用了其中的一个二极管。

在ADS（advaced design system）中建立版图模型，并将主要尺寸参数化，导入原理图中进行版图和原理图的联合仿真分析。将全波电磁场仿真软件HFSS分析得到的天线阻抗值，替换掉ADS仿真电路中的源阻抗，其阻抗为100+j97 Ω，最终经过迭代分析出效率最佳时的各个参数值。分析发现效率最佳时，C1=0和C2=100 pF，l1加上l2的长度为5.5 mm，l3的长度为23.5 mm。此时二极管D上基波分量比负载RL基波分量高17 dB，表明整流电路中的谐波经过C2之后，得到有效回收。

在从单整流天线扩展到整流天线阵列时，可将所有整流天线的输出直接并联或者串联起来。由于整流电路没有接地，不影响整流天线输出的串联和并联。因此，比微带整流电路更具有简洁和灵活的优势。

3 圆极化整流天线

通过优化天线的阻抗、CPS传输线的阻抗和长度，利用天线感性和肖特基二极管容性阻抗的匹配，可以不使用电容C1，直接实现阻抗匹配。

设计结果：CPS传输线的间距s和宽度w分别设置为1.7 mm和 3 mm，此时CPS传输线的阻抗为164 Ω。天线的阻抗为100+j97 Ω。

图6给出了最终的整流天线模型和实物，交叉偶极子天线与CPS传输线直接相连，天线下方四分之一个波长处添加一个金属反射面，CPS传输线后用直流线连接负载。CPS传输线上仅使用一个二极管和一个电容，天线和电路具体的参数如前文所述，其中l1=5.5 mm，l2=23.5 mm，电容C=100 pF。

图6 整流天线模型和实物

4 测量结果与分析

4.1 测试系统

测试系统如图7所示，包括HMC-T2220微波信号发生器、微波固态放大器、2.45 GHz标准增益天线、环行器、匹配负载、定向耦合器、功率计、整流天线和直流负载等。标准喇叭天线的增益为12.9 dBi，尺寸为15 cm×20 cm，根据远场计算公式可求得该天线的远场距离约为1 m，因此测量系统中标准喇叭和整流天线的距离设置为1.6 m，满足远场测试环境。

整流天线的效率为负载端的直流功率与整流天线接收的微波功率之比，其中直流功率为直流负载两端电压的平方和负载的比值，微波功率由Friis公式进行计算得到。故整流天线的转换效率计算公式可以表示为

式中：Pr为整流天线接收到的功率；Pt为喇叭天线的辐射功率；Gr标准喇叭的增益；Gt为整流天线的增益；λ为辐射电磁波的波长；R为发射的喇叭天线与整流天线的距离；Vout为负载端的输出电压；Rlaod为直流负载值。

图7 整流天线测试系统

4.2 测试结果

图8是整流天线在给定条件下，转换效率和输出电压随输入功率和直流负载的变化曲线。由图可知，在一定范围内，当输入功率或者负载值增大时，转换效率会先增大后减小，输出电压会逐渐增大。整流天线在输入功率为10～16 dBm，负载为100～450 Ω的范围内，转换效率均高于50%。在输入功率为16.3 dBm，负载为250 Ω时，转换效率最高，为71.6%。

图8 效率和输出电压随输入功率和负载的变化

图9给出了转换效率随转动角度的变化曲线，可知在±40°的范围内，转换效率均高于50%，但是在±90°的范围内，转换效率不如预期，这是由于巴伦的影响，整流天线的轴比相比天线产生了一些恶化，使得当偏转角度增大之后，效率大幅下降。

图9 效率和输出电压随角度的变化曲线

表1给出了近几年相关的整流天线对比，文献[5], [12]均为线极化，在针对移动目标的WPT领域应用受限；相比文献[13]-[14]的圆极化整流天线，本文提出的整流天线转换效率更高。

表1 整流天线对比

5 结论

本文设计了一款S波段圆极化整流天线。

1)该整流天线采用交叉金属偶极子和CPS传输线设计而成，具有低成本，质量轻，半功率波束宽度宽等优点。该整流天线为圆极化整流天线，能够有效抑制因极化失配带来的能量损失。

2)该整流天线在输入功率为16.3 dBm和负载为250 Ω时，转换效率可达71.6%，在WPT领域具有应用价值。