摘  要： 微波整流是無(wú)線輸電中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),，為完成微波能量的接收，設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yīng)用于傳統(tǒng)有線輸電無(wú)法應(yīng)用的場(chǎng)合,。通過(guò)系統(tǒng)仿真以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試,，驗(yàn)證了整流天線的可行性及其高效率，實(shí)際測(cè)量后計(jì)算出整流效率高達(dá)63.4%,。
關(guān)鍵詞： 微波,；無(wú)線輸電；整流天線

    微波無(wú)線輸電是近幾年各機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)[1-3],。微波電能傳輸?shù)囊话氵^(guò)程是,，利用射頻信號(hào)源將直流電轉(zhuǎn)換成微波信號(hào)，即DC-RF,；經(jīng)過(guò)功率放大器（多級(jí)）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(fù)載提供直流電能,。無(wú)線輸電的原理與微波傳送信號(hào)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(yīng)運(yùn)而生并成為微波輸電的關(guān)鍵技術(shù)[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(jié)合,，用來(lái)將微波轉(zhuǎn)換為直流電平的技術(shù)通常稱為整流天線技術(shù)[5]。微帶天線是最近30多年來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的一類新型天線,，因其體積小,、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于射頻微波通信接收系統(tǒng)及其他無(wú)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(shí)際應(yīng)用中,，單個(gè)二極管的整流模式被認(rèn)為是最簡(jiǎn)單,、最有效、最經(jīng)濟(jì)的整流模式,。本文首先介紹了微帶整流天線的原理及結(jié)構(gòu),，在此基礎(chǔ)上依次完成了微帶整流天線系統(tǒng)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)，最終對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真與測(cè)試,，得到了較為理想的效果,。
1 微帶整流天線原理及結(jié)構(gòu)
    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(gè)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(lái)消除非線性元件(整流二極管)產(chǎn)生的高次雜波對(duì)電路的影響,。而濾波器的設(shè)計(jì)并不是簡(jiǎn)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(shè)計(jì)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(guò)，輸出濾波器允許直流和偶次諧波通過(guò),，截止基波與高次奇次諧波,，因?yàn)榕即沃C波在負(fù)載上做功為零，所以輸出濾波器允許偶次諧波通過(guò)不會(huì)對(duì)負(fù)載產(chǎn)生不良影響[7],。

2.2 整流二極管及匹配電路設(shè)計(jì)
    本文使用的二極管型號(hào)為HSMS-282B,，SOT323封裝，二極管的最大反向電壓為15 V,，首先對(duì)二極管進(jìn)行掃描,，確定在要求的輸入功率下二極管反向電壓不會(huì)超過(guò)15 V。使用諧波平衡控件HB,、大信號(hào)仿真控件LSSP及參數(shù)掃描控件PARAMETER SWEEP對(duì)二極管的電壓—功率掃描,，負(fù)載為300Ω，掃描結(jié)果圖如圖3所示,。結(jié)果顯示輸入功率Pin在-4 dBm～2 dBm時(shí),，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(shí)由Zin1=Zin(S11,，PortZ1)計(jì)算出Pin=-4 dBm時(shí)系統(tǒng)的輸入阻抗為Zin=(46.633-j244.508) Ω，需要對(duì)其進(jìn)行阻抗匹配,。

2.3 輸入低通濾波器設(shè)計(jì)
    使用微帶線可以構(gòu)成的濾波器有很多結(jié)構(gòu),，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(jiǎn)單的高低阻抗方式設(shè)計(jì)低通濾波器，原理圖中兩個(gè)Term端口的特性阻抗均為理想的50 ?贅,。設(shè)計(jì)低通濾波器時(shí)使用的微帶線較多,，對(duì)此類的原理圖設(shè)計(jì),，使用目標(biāo)函數(shù)控件OPTIM及3個(gè)GOAL控件來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整各段微帶線長(zhǎng)度，以滿足本文對(duì)低通濾波器的設(shè)計(jì)要求,。經(jīng)500次優(yōu)化協(xié)調(diào)后,，可得頻率為2.45 GHz時(shí)dB(S(1，1))=-29.682,，dB(S(2,，1))=0；頻率為4.05 GHz時(shí)dB(S(1,，1))=0,，dB(S(2，1))=-12.747,，均滿足設(shè)計(jì)要求,。
2.4 整流天線系統(tǒng)仿真及版圖制作
    在設(shè)計(jì)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(jìn)行整流天線的整體仿真與分析,。由原理圖仿真結(jié)果可知Pin=-5 dBm時(shí),，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(lái)設(shè)計(jì)PCB版圖,，使用ADS2009特殊功能原理圖與版圖仿真所得結(jié)果如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
    出于對(duì)電路板性能的考量,，沒(méi)有在電路板上鍍錫或者阻焊層,，為了測(cè)試方便，在整流天線末端加入了一個(gè)插針作為直流輸出引腳,，在整流天線背面焊接一個(gè)插針作為接地引腳,。
    微帶整流天線系統(tǒng)的測(cè)試使用的器件有：臺(tái)式電腦一臺(tái)、MSP430最小系統(tǒng)（信號(hào)源控制電路）,、ADF4360射頻信號(hào)源,、驅(qū)動(dòng)級(jí)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)環(huán)形天線、同軸線纜及轉(zhuǎn)接頭,、萬(wàn)用表等,。在測(cè)試中,，改變整流天線與喇叭天線的距離，尋找負(fù)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(wàn)用表測(cè)量負(fù)載最大直流電壓為0.325 V,，由遠(yuǎn)區(qū)傳輸?shù)母道锼构降茫?br />     
    測(cè)試結(jié)果表明,，本文設(shè)計(jì)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(duì)于微波輸電研究具有積極的實(shí)驗(yàn)意義,。微波輸電系統(tǒng)充分利用了電磁場(chǎng)與電磁波理論,，結(jié)合實(shí)際需求與應(yīng)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(wú)線的方式,，可應(yīng)用于管道機(jī)器人,、太陽(yáng)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(guān)于矩形微帶整流天線的研究為未來(lái)增加微波功率、提高微波整流效率打下了堅(jiān)實(shí)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ),。
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