摘 要： 微波整流是無線輸電中的一個重要環節，為完成微波能量的接收，設計了一個結構簡單、整流效率高的貼片矩形微帶整流天線，此整流天線包括矩形微帶天線、輸入低通濾波器、整流二極管及輸出濾波器。該整流天線的面積小，配合其他裝置組成的微波輸電系統，可方便地應用于傳統有線輸電無法應用的場合。通過系統仿真以及實驗測試，驗證了整流天線的可行性及其高效率，實際測量后計算出整流效率高達63.4%。
關鍵詞： 微波；無線輸電；整流天線
微波無線輸電是近幾年各機構的研究熱點[1-3]。微波電能傳輸的一般過程是，利用射頻信號源將直流電轉換成微波信號，即DC-RF；經過功率放大器（多級）將微波功率放大后輻射至自由空間，再由整流天線接收微波能量并整流，為負載提供直流電能。無線輸電的原理與微波傳送信號是相通的，如果使用微波傳送能量就必須要有將微波整流為直流的器件，故整流天線應運而生并成為微波輸電的關鍵技術[4]。
微帶整流天線由整流電路、濾波器、微帶天線組成，這種接收天線與整流電路相結合，用來將微波轉換為直流電平的技術通常稱為整流天線技術[5]。微帶天線是最近30多年來逐漸發展起來的一類新型天線，因其體積小、質量輕、結構簡單等優點被廣泛應用于射頻微波通信接收系統及其他無線電系統中。現階段整流電路模型一般有半橋、全橋等整流模型，但是實際應用中，單個二極管的整流模式被認為是最簡單、最有效、最經濟的整流模式。本文首先介紹了微帶整流天線的原理及結構，在此基礎上依次完成了微帶整流天線系統各個部分的設計，最終對系統進行仿真與測試，得到了較為理想的效果。
1 微帶整流天線原理及結構
如果將接收天線等效為內阻為Rs的電壓源Vs，則加入輸入濾波器與輸出濾波器，使用單個理想整流二極管并聯的閉環整流天線電路模型如圖1所示[6]。
在整流電路中需要加入濾波器來消除非線性元件(整流二極管)產生的高次雜波對電路的影響。而濾波器的設計并不是簡單的通基波、阻諧波，這種方法效率低，且很大一部分微波能量變成熱量散發出去。
所以，為提高整流效率，本文采用新式微帶整流天線設計方法，輸入濾波器截止高次奇次諧波，允許基波與偶次諧波通過，輸出濾波器允許直流和偶次諧波通過，截止基波與高次奇次諧波，因為偶次諧波在負載上做功為零，所以輸出濾波器允許偶次諧波通過不會對負載產生不良影響[7]。
2.2 整流二極管及匹配電路設計
本文使用的二極管型號為HSMS-282B，SOT323封裝，二極管的最大反向電壓為15 V，首先對二極管進行掃描，確定在要求的輸入功率下二極管反向電壓不會超過15 V。使用諧波平衡控件HB、大信號仿真控件LSSP及參數掃描控件PARAMETER SWEEP對二極管的電壓—功率掃描，負載為300Ω，掃描結果圖如圖3所示。結果顯示輸入功率Pin在-4 dBm～2 dBm時，二極管側最大反向電壓為0.305～0.475 V左右，滿足器件要求，同時由Zin1=Zin(S11，PortZ1)計算出Pin=-4 dBm時系統的輸入阻抗為Zin=(46.633-j244.508) Ω，需要對其進行阻抗匹配。
2.3 輸入低通濾波器設計
使用微帶線可以構成的濾波器有很多結構，包括高低阻抗濾波器、交指線濾波器、端耦合微帶諧振濾波器、平行耦合微帶線濾波器、發卡式濾波器、梳狀線濾波器等，本文將采用簡單的高低阻抗方式設計低通濾波器，原理圖中兩個Term端口的特性阻抗均為理想的50 ?贅。設計低通濾波器時使用的微帶線較多，對此類的原理圖設計，使用目標函數控件OPTIM及3個GOAL控件來實時調整各段微帶線長度，以滿足本文對低通濾波器的設計要求。經500次優化協調后，可得頻率為2.45 GHz時dB(S(1，1))=-29.682，dB(S(2，1))=0；頻率為4.05 GHz時dB(S(1，1))=0，dB(S(2，1))=-12.747，均滿足設計要求。
2.4 整流天線系統仿真及版圖制作
在設計完成微帶接收天線、輸入濾波器、二極管整流電路、輸出濾波器之后，需要進行整流天線的整體仿真與分析。由原理圖仿真結果可知Pin=-5 dBm時，S(1,1)=-35.999 dB，輸入阻抗Zin=Z0×（0.972+j0.014）Ω=（48.6+j0.7）Ω，根據匹配好的原理圖來設計PCB版圖，使用ADS2009特殊功能原理圖與版圖仿真所得結果如圖5所示。
3 實驗測試
出于對電路板性能的考量，沒有在電路板上鍍錫或者阻焊層，為了測試方便，在整流天線末端加入了一個插針作為直流輸出引腳，在整流天線背面焊接一個插針作為接地引腳。
微帶整流天線系統的測試使用的器件有：臺式電腦一臺、MSP430最小系統（信號源控制電路）、ADF4360射頻信號源、驅動級功率放大器模塊(將功率放大至20 dBm)、矩形喇叭發射天線、整流天線模塊、300 Ω負載、固緯雙通道直流電壓源GPS-2303C、固緯頻譜分析儀GSP-827及其附件、標準環形天線、同軸線纜及轉接頭、萬用表等。在測試中，改變整流天線與喇叭天線的距離，尋找負載的最大電壓值，即發射的功率與整流天線的最佳匹配值。在距離喇叭天線大約10 cm的地方放置整流天線，用萬用表測量負載最大直流電壓為0.325 V，由遠區傳輸的傅里斯公式得：
測試結果表明，本文設計的整流天線在小功率微波電能傳輸系統中是可行的、成功的，且整流天線具有較高的效率，最大為63.4%，對于微波輸電研究具有積極的實驗意義。微波輸電系統充分利用了電磁場與電磁波理論，結合實際需求與應用，擯棄傳統的有線傳輸方式，為電能傳輸提供了一種全新的、無線的方式，可應用于管道機器人、太陽能衛星輸電、新能源汽車充電等環境。而作為微波系統中不可或缺的一部分，本文關于矩形微帶整流天線的研究為未來增加微波功率、提高微波整流效率打下了堅實的理論與實踐基礎。
參考文獻
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