一种矩形微带整流天线的研究与设计

微波无线输电是近几年各机构的研究热点[1-3]。微波电能传输的一般过程是，利用射频信号源将直流电转换成微波信号，即DC-RF；经过功率放大器（多级）将微波功率放大后辐射至自由空间，再由整流天线接收微波能量并整流，为负载提供直流电能。无线输电的原理与微波传送信号是相通的，如果使用微波传送能量就必须要有将微波整流为直流的器件，故整流天线应运而生并成为微波输电的关键技术[4]。
微带整流天线由整流电路、滤波器、微带天线组成，这种接收天线与整流电路相结合，用来将微波转换为直流电平的技术通常称为整流天线技术[5]。微带天线是最近30多年来逐渐发展起来的一类新型天线，因其体积小、质量轻、结构简单等优点被广泛应用于射频微波通信接收系统及其他无线电系统中。现阶段整流电路模型一般有半桥、全桥等整流模型，但是实际应用中，单个二极管的整流模式被认为是最简单、最有效、最经济的整流模式。本文首先介绍了微带整流天线的原理及结构，在此基础上依次完成了微带整流天线系统各个部分的设计，最终对系统进行仿真与测试，得到了较为理想的效果。
1 微带整流天线原理及结构
如果将接收天线等效为内阻为Rs的电压源Vs，则加入输入滤波器与输出滤波器，使用单个理想整流二极管并联的闭环整流天线电路模型如图1所示[6]。

在整流电路中需要加入滤波器来消除非线性元件(整流二极管)产生的高次杂波对电路的影响。而滤波器的设计并不是简单的通基波、阻谐波，这种方法效率低，且很大一部分微波能量变成热量散发出去。
所以，为提高整流效率，本文采用新式微带整流天线设计方法，输入滤波器截止高次奇次谐波，允许基波与偶次谐波通过，输出滤波器允许直流和偶次谐波通过，截止基波与高次奇次谐波，因为偶次谐波在负载上做功为零，所以输出滤波器允许偶次谐波通过不会对负载产生不良影响[7]。

2.2 整流二极管及匹配电路设计
本文使用的二极管型号为HSMS-282B，SOT323封装，二极管的最大反向电压为15 V，首先对二极管进行扫描，确定在要求的输入功率下二极管反向电压不会超过15 V。使用谐波平衡控件HB、大信号仿真控件LSSP及参数扫描控件PARAMETER SWEEP对二极管的电压—功率扫描，负载为300Ω，扫描结果图如图3所示。结果显示输入功率Pin在-4 dBm～2 dBm时，二极管侧最大反向电压为0.305～0.475 V左右，满足器件要求，同时由Zin1=Zin(S11，PortZ1)计算出Pin=-4 dBm时系统的输入阻抗为Zin=(46.633-j244.508) Ω，需要对其进行阻抗匹配。

2.3 输入低通滤波器设计
使用微带线可以构成的滤波器有很多结构，包括高低阻抗滤波器、交指线滤波器、端耦合微带谐振滤波器、平行耦合微带线滤波器、发卡式滤波器、梳状线滤波器等，本文将采用简单的高低阻抗方式设计低通滤波器，原理图中两个Term端口的特性阻抗均为理想的50 赘。设计低通滤波器时使用的微带线较多，对此类的原理图设计，使用目标函数控件OPTIM及3个GOAL控件来实时调整各段微带线长度，以满足本文对低通滤波器的设计要求。经500次优化协调后，可得频率为2.45 GHz时dB(S(1，1))=-29.682，dB(S(2，1))=0；频率为4.05 GHz时dB(S(1，1))=0，dB(S(2，1))=-12.747，均满足设计要求。
2.4 整流天线系统仿真及版图制作
在设计完成微带接收天线、输入滤波器、二极管整流电路、输出滤波器之后，需要进行整流天线的整体仿真与分析。由原理图仿真结果可知Pin=-5 dBm时，S(1,1)=-35.999 dB，输入阻抗Zin=Z0×（0.972+j0.014）Ω=（48.6+j0.7）Ω，根据匹配好的原理图来设计PCB版图，使用ADS2009特殊功能原理图与版图仿真所得结果如图5所示。

3 实验测试
出于对电路板性能的考量，没有在电路板上镀锡或者阻焊层，为了测试方便，在整流天线末端加入了一个插针作为直流输出引脚，在整流天线背面焊接一个插针作为接地引脚。
微带整流天线系统的测试使用的器件有：台式电脑一台、MSP430" style="color:; text-decoration: none; font-weight: bold; ">MSP430最小系统（信号源控制电路）、ADF4360射频信号源、驱动级功率放大器模块(将功率放大至20 dBm)、矩形喇叭发射天线、整流天线模块、300 Ω负载、固纬双通道直流电压源GPS-2303C、固纬频谱分析仪GSP-827及其附件、标准环形天线、同轴线缆及转接头、万用表等。在测试中，改变整流天线与喇叭天线的距离，寻找负载的最大电压值，即发射的功率与整流天线的最佳匹配值。在距离喇叭天线大约10 cm的地方放置整流天线，用万用表测量负载最大直流电压为0.325 V，由远区传输的傅里斯公式得：

测试结果表明，本文设计的整流天线在小功率微波电能传输系统中是可行的、成功的，且整流天线具有较高的效率，最大为63.4%，对于微波输电研究具有积极的实验意义。微波输电系统充分利用了电磁场与电磁波理论，结合实际需求与应用，摈弃传统的有线传输方式，为电能传输提供了一种全新的、无线的方式，可应用于管道机器人、太阳能卫星输电、新能源汽车充电等环境。而作为微波系统中不可或缺的一部分，本文关于矩形微带整流天线的研究为未来增加微波功率、提高微波整流效率打下了坚实的理论与实践基础。
参考文献
[1] 王秩雄，胡劲蕾，梁俊，等.无线输电技术的应用前景[J].空军工程大学学报(自然科学版)，2003，4(1)：82-85.
[2] 胡大璋，周兆先.微波输送电能的新技术[J].电子科技导报，1996(12)：1-4.
[3] 杨成英，陈勇.中程距离无线输电的实现[J].科技信息，2009(3)：410-411.
[4] 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)：770-779.
[5] 邓红雷，孔力.一种实用线极化矩形微带贴片接收整流天线的仿真设计[J].微波学报，2004，20(4)：68-71，89.
[6] 池玉友，许建军，秦占豪.整流天线技术及应用[J].电子信息对抗技术，2007，22(4)：29-31.
[7] 张雪松，朱超甫，顾颐.使用微带天线进行近距离能量传递[J].北京科技大学学报，2003，25(6)：587-590.