随着不可再生能源的日益减少，可再生清洁能源的获取问题亟待解决。空间太阳能电站^[1](solar space power satellite, SSPS)的发展，为解决该问题提供了一个思路，具有良好的发展与应用前景^[2-4]。微波无线能量传输技术是SSPS中的一项关键技术^[5-6]。该技术是指能量以微波为载体在空间中传输，具有衰减小、传输效率高、对天气变化适应性好等优点。

整流天线通常采用肖特基二极管作为核心整流器件。文献[7]中提出一款新型的小型化整流天线缩小天线尺寸，最高整流效率达到69.3%，最大输出直流功率为0.18 W。文献[8]提出一款小型化微带整流天线，缩减了整流天线的尺寸，最高整流效率可达72.4%，最大直流输出为0.07 W。功率容量与输出直流功率大小作为整流天线的重要指标，在不增大整流天线尺寸的前提下，如何提升整流天线的功率容量及输出直流功率，成为当下的一个研究热点。

本文设计了一款最大输出直流功率0.93 W的整流电路，并实现了一款可输出14 W直流功率的整流天线阵列，提升了整流天线的输出功率。该天线阵列具有易集成、易加工等特点，可用于S波段微波无线输能系统中。

1 整流天线阵列

微波无线能量传输系统结构如图1所示。整流天线作为微波无线能量传输技术中的关键部位，包括接收天线和整流电路2部分。Deschamps^[9]在1953年提出了微带天线，具有结构简单、便于加工制作、易于阻抗匹配等优点，被广泛用于微波通信与测量领域中。辐射贴片可以是矩形、圆形或者三角形等。本文选用矩形微带贴片天线进行设计制作。

1.1 接收天线的设计

微带天线通常使用传输模式进行近似计算与设计。假定电场沿天线宽边W方向无变化，且天线的辐射是宽边的边沿。将天线等效为槽阻抗与传输线级联，则矩形天线的输入导纳为

${Y_{{\rm{in}}}} = {Y_{\rm{s}}} + {Y_0}\frac{{{Y_{\rm{s}}} + {\rm{j}}{Y_0}\tan \beta \left( {L + 2\Delta L} \right)}}{{{Y_0} + {\rm{j}}{Y_{\rm{s}}}\tan \beta \left( {L + 2\Delta L} \right)}}$

(1)

式中：Y₀为微带线结构特征导纳；L为微带线长；ΔL为边沿电容引起的边沿延伸， $\Delta L = 0.412h\cdot $ $ \dfrac{{{\varepsilon _e} + 0.3}}{{{\varepsilon _e} - 0.258}}\dfrac{{\left( {{W/h}} \right) + 0.264}}{{\left( {{W/h}} \right) + 0.8}}$ ； $\beta = {{2{\rm{{\text{π}} }}\sqrt {{\varepsilon _{\rm{e}}}} }/{{\lambda _0}}}$ ，其中，ε_e为有效介电常数，λ₀为自由空间波长； ${Y_{\rm{s}}} = G + {\rm{j}}B$ ，其中，G为辐射单元的发射电导，B为辐射单元的辐射电纳^[10]。

当天线正常工作(谐振)时，有

$L + 2\Delta L = {{{\lambda _0}}/{2\sqrt {{\varepsilon _{\rm{e}}}} }}$

(2)

此时式(1)可化简为

${Y_{{\rm{in}}}} = 2G$

微带天线的工作频率与结构参数的关系为

${f_0} = \frac{c}{{2\sqrt {{\varepsilon _{\rm{e}}}} \left( {L + 2\Delta L} \right)}}$

(3)

$W = \frac{c}{{2{f_0}}}{\left( {\frac{2}{{{\varepsilon _{\rm{r}}} + 1}}} \right)^{ - {1/2}}}$

(4)

文中矩形贴片天线设计采用FR4双面敷铜介质板作为介质基板，其主要参数如表1所示。

由式(1)~(4)计算可得天线的尺寸。将所得数据带入HFSS软件中进行仿真优化，最终接收天线结构如图2(a)所示，其中：W=46 mm，L=28 mm，W₁=1 mm，L₁=7.5 mm，W₀=3.8 mm，馈电端口W₀阻抗为50 Ω。图2(b)为矩形天线S参数的仿真结果，天线的3 dB带宽为2.42~2.48 GHz。

1.2 整流电路设计

肖特基二极管具有截止频率高、结电阻低和结电容小等特点，广泛应用于微波电路。本电路采用Avago公司的HSMS-2700系列二级管，其主要参数如表2所示。

本文设计了由HSMS-2700肖特基二极管构成的倍压整流电路，将贴片天线等效为阻抗为50 Ω的微波信号源。

输出低通滤波器的作用是为了抑制基波和二极管产生的高次谐波的通过。为了使电路更紧凑，降低贴片元器件带来的损耗影响，本文采用蛇形微带线来进行输出滤波器的设计。蛇形微带线宽0.2 mm，对基波及高次谐波呈高阻抗性，结构如图3所示。

整流电路实物图如图4所示。其中A部分为整流电路的输入带通滤波器部分，由0.7 pF村田电容及匹配枝节线构成；B部分为整流部分，由匹配支节线及2只二极管组成，2只二极管组成倍压整流电路来增大电路的功率容量；C部分为输出低通滤波器部分，由一段匹配支节线及一段高阻抗的蛇形细线组成。

最终该电路的测试结果如图5所示。当输入功率在28~32 dBm时，整流电路的整流效率高于50%；并且当 输入功率为32 dBm时，整流效率最大，可达57%。当输入功率在31~34 dBm时，该电路的输出直流功率均高于0.7 W，并且当输入功率为33 dBm时，该电路输出的直流功率最大，为0.93 W。电路在输入功率为32 dBm时，整流效率最高，输出直流功率为0.91 W；当输入功率高于32 dBm，整流效率大幅减小。二极管工作在过饱和状态，二极管损耗逐渐增加，直流输出功率饱和后迅速下降。

1.3 整流天线阵列

整流天线能够接收到的功率密度为

${P_{\rm{d}}}{\rm{ = }}\frac{{{P_{\rm{t}}}{G_{\rm{t}}}}}{{4{\rm{{\text{π}} }}{d^2}}}$

式中：P_t为发射功率；G_t为发射天线增益；d为发射天线与接收天线之间的距离^[11]。

整流天线的效率为

$\eta {\rm{ = }}\frac{{{P_{{\rm{out}}}}}}{{{P_{\rm{r}}}}} \times 100{\text{%}} = \frac{{{{{V_{{\rm{out}}}}^2}/{{R_{{\rm{load}}}}}}}}{{{{{P_{\rm{t}}}{G_{\rm{t}}}}/{4{\rm{{\text{π}} }}{d^2} \times {A_{{\rm{rectenna - array}}}}}}}}$

(5)

式中：P_out表示直流输出功率；P_r表示天线阵列接收到的功率；V_out为直流输出电压；R_load为直流负载；A_{rectenna-array}为整流天线面积^[12]。

由式(5)可知，接收天线整流效率与接收天线阵列的面积成反比，缩小天线单元的间距，减小阵列的面积，可提高天线阵列效率。

通过电磁仿真，将各天线的馈电端口交错放置，天线间距确定为20 cm。最终加工天线阵列实物图如图6所示。天线与整流电路依靠阻抗为50 Ω的微带线连接，整流天线之间依靠蛇形微带细线连接。天线阵由4×4个整流天线单元组成，所有整流电路并联输出直流功率，面积为21.7 cm×27.5 cm。

2 测试与分析

测试系统原理图如图7所示，采用Analog Devices公司的HMC-T2220型号信号源、固态放大器、16 dBi标准增益喇叭天线、万用表及大功率负载进行测试。微波功率源的最大输出功率为79.9 W，分别调整微波源的输出功率，测量整流天线阵列的直流输出功率及整流效率。

图8(a)为3种发射功率下，收发天线在不同间距处天线阵列直流输出功率的曲线图。随着距离的增加，直流输出功率先增加后减小，最大可达14.03 W。图8(b)为3种发射功率下，天线阵列整流效率随收发天线间距变化的曲线图。在收发天线间距较小处，天线阵列所接收功率较大，超过电路的功率容量上限，整流效率偏低；在距离较大处，天线阵列所接收功率随着距离的增加逐渐减少，整流效率也逐渐降低。整流天线阵列最大整流效率为47.6%

单只整流电路的直流输出功率最大值为0.93 W，16只整流电路的直流输出在理想叠加的情况下，最大为14.88 W。实测得到的最大直流输出功率值与理想叠加情况下的最大值相差5.7%，实测结果与理论基本一致。

测试系统的功率源输出功率有限，本次测试中尽量满足远场条件，为了保证整流电路工作于正常状态，缩短收发天线的间距。近距离测试会导致整流天线阵列中心与四周的功率密度分布不均，造成中心功率密度大于四周功率密度的情况，从而使得实际接收到的功率小于理论计算值。同时这也会使得不同整流电路的工作状态不同，由图8测试曲线可知，四周的整流电路输出直流功率与电压会小于中心处整流电路。当输出电压不一致时，整流电路相互并联也会降低整流天线整体效率。

表3展示了本文设计与文献中的2.45 GHz整流天线输出直流功率与尺寸的对比。从表中可以看出，本文的直流输出功率较高，而整流效率略有不足。这是因为本文的设计重心主要放在了阵列的紧凑性与单位体积内的输出直流性能上。在功率较大的工作环境下，二极管上的微波损耗增加，且其实际参数与仿真模型相比会出现一定的偏差，导致整流天线阵列整体的效率并不突出。同时可以看出，本文整流天线单位体积的直流输出功率与常规整流天线相比，可以提升5倍。

3 结论

本文提出了一款工作在S波段的基于肖特基二极管的整流天线阵列，可输出最大直流功率为117.6 mW/cm³。

1）整流电路采用倍压结构，提高了电路的直流功率输出。

2）采用蛇形细微带线作为输出滤波器，连接整流天线单元，使整流天线阵列结构更紧凑，提升了其单位体积内的直流输出。

3）天线阵列厚度小，重量轻，单位体积直流输出功率大。

本文设计的整流天线阵列具有结构紧凑、天线阵列单位体积内直流输出较大等优势，可以有效应用在微波无线输能系统中。本文的工作尚处于初步研究阶段，值得进一步深入广泛研究。