摘  要： 微波整流是無線輸電中的一個重要環(huán)節(jié)，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(tǒng),，可方便地應用于傳統(tǒng)有線輸電無法應用的場合。通過系統(tǒng)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?shù)囊话氵^程是,，利用射頻信號源將直流電轉(zhuǎn)換成微波信號,，即DC-RF；經(jīng)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(zhuǎn)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(fā)展起來的一類新型天線,，因其體積小、質(zhì)量輕,、結構簡單等優(yōu)點被廣泛應用于射頻微波通信接收系統(tǒng)及其他無線電系統(tǒng)中?，F(xiàn)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(jīng)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(tǒng)各個部分的設計,，最終對系統(tǒng)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(nèi)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(lián)的閉環(huán)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(chǎn)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(fā)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(chǎn)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(shù)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(cè)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(tǒng)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(fā)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(shù)控件OPTIM及3個GOAL控件來實時調(diào)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(jīng)500次優(yōu)化協(xié)調(diào)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(tǒng)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(jù)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(tǒng)的測試使用的器件有：臺式電腦一臺,、MSP430最小系統(tǒng)（信號源控制電路）,、ADF4360射頻信號源、驅(qū)動級功率放大器模塊(將功率放大至20 dBm),、矩形喇叭發(fā)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(huán)形天線,、同軸線纜及轉(zhuǎn)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(fā)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(qū)傳輸?shù)母道锼构降茫?br />     
    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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(wèi)星輸電,、新能源汽車充電等環(huán)境,。而作為微波系統(tǒng)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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