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  应用科技  2019, Vol. 46 Issue (5): 63-66  DOI: 10.11991/yykj.201901006
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引用本文  

和历阳, 严安, 李勋勇, 等. 一款小型化2.45 GHz整流天线的设计[J]. 应用科技, 2019, 46(5), 63-66. DOI: 10.11991/yykj.201901006.
HE Liyang, YAN An, LI Xunyong, et al. Design of a miniaturized rectenna at 2.45 GHz[J]. Applied Science and Technology, 2019, 46(5), 63-66. DOI: 10.11991/yykj.201901006.

基金项目

国家自然科学基金项目(61271074)

通信作者

刘长军,E-mail:cjliu@scu.edu.cn

作者简介

和历阳,男,硕士研究生;
刘长军,男,教授,博士

文章历史

收稿日期:2019-01-10
网络出版日期:2019-06-25
一款小型化2.45 GHz整流天线的设计
和历阳 , 严安 , 李勋勇 , 刘长军     
四川大学 电子信息学院,四川 成都 610064
摘要:为解决整流天线设计复杂、整流效率较低的问题,提出一种新型S波段微波整流天线,利用空气层拓展贴片天线的带宽,将整流电路集成到天线的空气层内,减小了整流天线的尺寸,并研究了天线和整流二极管阻抗匹配的关系。基于该结构,设计了2.45 GHz微波贴片整流天线,采用F4B介质板进行加工,整流天线的横截面为70 mm×70 mm。经实验测量,该新型微波整流天线在天线接收功率为20 dBm时,整流效率达到72.4%。该新型整流天线相比传统整流天线具有尺寸小、高射频−直流转换效率的特点,证明了设计的有效性。
关键词微波无线能量传输    贴片天线    整流电路    整流天线    肖特基二极管    阻抗匹配    谐波回收    整流效率    
Design of a miniaturized rectenna at 2.45 GHz
HE Liyang , YAN An , LI Xunyong , LIU Changjun     
School of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 610064, China
Abstract: In order to facilitate the rectenna design and increase its rectifying efficiency, a novel rectenna at S band is presented in this paper. The bandwidth of patch antenna is broadened with an air gap, so as to integrate the rectifiers into the air gap of antenna, which reduces the size of rectification antenna, and the impedance matching between the rectification diode and antenna is studied. A rectenna at 2.45 GHz is designed based on this structure, and fabricated with F4B substrate. The cross section of rectenna is 70 mm×70 mm. The measured rectifying efficiency reaches 72.4% at 20 dBm input power. This novel rectenna has advantages of compact size, and high RF-DC conversion efficiency. Experiments prove validity of the proposed design method.
Keywords: microwave wireless power transmission    patch antenna    rectifier    rectenna    Schottky diode    impedance matching    harmonic suppression    rectifying efficiency    

微波无线能量传输(microwave wireless power transmission, MWPT)是微波工程应用的一个重要研究方向[14]。典型的MWPT系统由微波源、发射和接收天线、整流电路、负载等组成。接收天线和整流电路合称整流天线。整流天线一直是MWPT系统中的研究重点。

常规的MWPT系统的天线与整流电路通常是分立的[5]。实现小型化和提高整流效率一直是整流天线研究的目标。近年来微波整流天线研究也有很多进展,比如:在偶极子天线馈电端直接集成整流电路,减小整流天线尺寸[67];基于谐波回收理论,提高整流天线效率[8]

本文利用空气层提高贴片天线带宽,将整流电路设计在空气层内,实现了整流天线的小型化。

1 整流天线设计

整流电路通常由输入和输出滤波器、匹配电路、二极管等组成。本文的整流天线利用贴片天线的阻抗分布直接与二极管匹配,同时将整流电路集成在天线空气层内。该设计提高了天线对二次谐波的抑制功能,省去了整流电路输入端的滤波器,在整流天线输出端加入高阻抗线代替了输出端的滤波器。

1.1 天线

通常贴片天线阻抗带宽较窄,不利于整流天线的工程实现,因此加入空气层拓展天线的带宽。天线尺寸如表1所示。该天线采用F4B介质板(εr=2.65,厚度1 mm)进行加工,空气层厚度5 mm。天线电压反射系数|S11|如图1所示,在中心频率2.45 GHz处,|S11|达到−23 dB。天线的−10 dB带宽为2.38~2.52 GHz。与采用相同介质板但没有空气层的贴片天线相比,−10 dB处相对带宽从1.7%增加到5.7%。

表 1 天线参数
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图 1 天线|S11|实测
1.2 整流天线

通过全波仿真得到贴片天线阻抗随位置的分布情况[9],将贴片中心设置在坐标轴的原点(由于对称性,只需要仿真x>0和y>0的区域)。阻抗分布如表2所示。

表 2 贴片天线阻抗分布

肖特基二极管广泛用于微波整流电路中。综合考虑工作频率和转换效率,本文选取HSMS−282C作为整流二极管,具体参数为:反向击穿电压Vbr=15 V,结电容Cj0=0.7 pF,串联电阻Rs=6 Ω。

在ADS软件中,将贴片天线等效为内阻为Zs的信号源,与肖特基二极管整流电路连接如图2所示。

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图 2 整流天线仿真原理

其中λg/8终端短路微带线匹配二极管容性虚部,同时起到回收二次谐波的作用[10]。根据仿真结果设置λg/8微带线特征阻抗为60 Ω,调节整流电路输入阻抗Zin接近50 Ω,|S11|达到−21 dB,根据表2选取贴片天线匹配的位置。

采用同样的F4B介质板制作λg/8微带线滑块,如图3所示。

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图 3 微带线滑块

在空气层中插入微带线滑块会略微影响贴片天线的谐振频率,通过调整贴片尺寸进行补偿。图4展示了调整贴片尺寸后天线实测|S11|、E面和H面方向图。从图中可以看到,天线|S11|在2.45 GHz达到−20.5 dB,在4.9 GHz为−2 dB。加入滑块结构后,天线对二次谐波的抑制性能得到提升。

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图 4 天线测量

整流天线实物如图5所示,尺寸如表3所示。将二极管插入图中所示位置,二极管引脚一端连接天线辐射贴片,另一端连接微带线滑块。将微带线滑块集成在空气层中改善了天线对二次谐波的抑制性能,省去了输入端滤波器。在输出端,高阻抗线替代了输出直流滤波器。

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图 5 整流天线结构
表 3 整流天线尺寸
2 测量结果与分析 2.1 测试系统

测试系统如图6所示。采用Analog Devices公司的HMC−T2220型号信号源、固态放大器、15 dB标准增益喇叭天线和功率计进行测试。测试距离是3 m。首先用功率计测量整流天线接收功率,然后将整流天线连接负载,测量输出直流电压。贴片整流天线的整流效率为:

$ \eta =\frac{{{{{V_{{\rm{out}}}}^2} / {{R_{{\rm{load}}}}}}}}{{{P_{{\rm{in}}}}}} \times 100{\rm{\% }} $

式中:Pin是整流天线接收功率;Vout是直流输出电压;Rload是直流负载。

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图 6 测试系统
2.2 测试结果

图7展示了整流天线在20 dBm输入功率下,滑块在3个不同位置下的输出直流电压和整流效率随负载变化曲线。从图中可以看到,随着微带线滑块的移动,整流效率不同。当滑块在mspace=17 mm时,整流效果最好。

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图 7 微带线滑块在不同位置的测量结果

图8给出了微带线滑块在mspace=17 mm位置时,不同输入功率下的输出电压和整流效率随负载的变化曲线。

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图 8 不同输入功率下的测量结果

从图中可以看到,当输入功率增加时,输出电压和功率均在上升。当输入功率在17~20 dBm,负载在100~400 Ω时,该整流天线均获得了高于60%的整流效率。在输入功率为20 dBm,负载在100 ~260 Ω时,该整流天线均获得了高于70%的整流效率,最高整流效率达到了72.4%,此时的输入功率为20 dBm,负载为140 Ω。表4展示了本文设计与文献中的2.45 GHz整流天线的尺寸和整流效率对比。从表中可以看到,本文工作与文献[11]相比,整流天线尺寸减小,效率提升;与文献[12]相比,整流天线整体尺寸有所增加,但是整流效率提高了3.1%;与文献[13]相比,最高整流效率接近,但是尺寸仅为11%。

表 4 整流天线对比
3 结论

本文提出了一款结构新颖的整流天线,将整流电路集成在贴片天线空气层中。该整流天线采用HSMS−282C肖特基二极管,在2.45 GHz、输入功率为20 dBm和140 Ω负载的条件下,整流电路达到72.4%的整流效率。

1)该整流天线根据天线阻抗特性与二极管阻抗特性直接进行匹配,改变了传统整流天线采用的天线与电路分立设计的方式,简化了整流天线设计;

2)将整流电路集成在贴片天线空气层中,实现了整流天线的小型化;

3)该款整流天线利用λg/8终端短路微带线结构进行谐波回收,提升了整流天线的效率。

本文设计的整流天线具有小型化、匹配电路设计复杂度低、高整流效率、低加工成本等优势,可以应用到微波无线能量传输工程系统中,在未来的工作中还需要研究减小天线厚度的方法。

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