一种2.45GHz实用整流天线设计

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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除一种2.45GHz实用整流天线设计赵 鹏 杨 春(中国工程物理研究院电子工程研究所，绵阳 621900)1 摘 要：微波传能系统研究中有两个重点：高效性和安全性。整流天线为微波传能的重要组成部分，本文提出采用两个单元的梳状贴片天线阵作为基本的天线单元形式，与现在文献中普遍采用的矩形贴片形式相比，增益更高，阵列扩展容易，馈电网络简单，适应性强，能够在照射功率密度较低的情况下，通过阵列的扩展，达到所需的增益，对实现微波传能系统的高效和安全的工作具有更广泛的实际意义。关键词：整流天线，梳状天线Design of a Practical Microstr

2、ip Patch RectennaZhao Peng, Yang Chun(Institute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering and Physics, Mianyang 621900)Abstract: In the system of wireless power transmission（WPT）, there are two important characteristics: high conversion efficiency and good safety. One crucial part of t

3、he system is the rectenna. In this paper, we proposed the comb-antenna as the receive antenna, differently from the common microstrip patch antenna. The rectenna has the following advantages: the higher gain, easy expansion and feed network of the antenna array and so on. In the condition of the low

4、 power density of the radiation, this rectenna can be fast designed to satisfy the gain criterion. It is very practical in the application of the WPT system .Keywords: rectenna; comb-antenna【精品文档】第 7 页1 引言上世纪60年代初美国人W.C.Brown首先提出了微波无线能量传输（WPT）的概念，即以微波为载体在自由空间中无线传输大功率电磁能量1。1968年美国人P.E.Glaser在此概念上提出了卫

5、星太阳能电站（SSPS）的概念，即在地球同步轨道上的卫星把接收到的太阳能转换为电磁能，用大功率微波天线定向发射回地面，地面接收整流天线系统将接收到的能量转换为直流电，从而实现太阳能发电的功能2。微波传能系统研究中有两个重点，即高效性和安全性，这两点都与接收天线的增益有关，较高的增益可以降低对地面照射的功率密度的要求，提高系统的安全性和转换效率。目前，国内外文章都将转换效率作为整流天线研究的主要方向，并没有从提高安全性能的方面进行考虑。本文用梳状天线作为整流天线的接收天线形式，从提高安全性能的角度提供一种新的思路。2 整流天线的设计整流天线作为微波无线能量传输的重要组成部分之一，起着将空间传播的

6、射频能量转换为直流的作用。它由接收天线、滤波电路和整流电路三个部分构成（如下图1）。图1 整流天线结构示意图2.1 接收天线的设计接收天线作为整流天线接收能量的部分，决定着整流天线的实际整流效率。天线不仅应与后端的低通输入滤波器输入端口匹配，而且需要提供较高的增益和效率。本文采用梳状天线作为该系统的接收天线部分。用梳状天线作为整流天线的天线部分，较普通贴片天线相比，组阵更加容易，在照射功率达不到系统的最优照射功率密度时，梳状天线易于实现较大的天线阵列以便提供足够的增益，来满足后端整流电路达到最大转换效率时的输入功率条件。本文中，选取两个单元的梳状天线阵作为该接收天线的基本单元形式，基片为聚四氟

7、乙烯双面覆铜板，介电常数为2.55，厚度为1.5mm，天线的工作频率为2.45GHz。根据仿真结果，天线的增益7.1dB。下图2列出了仿真模型及S参数。图2 梳状天线仿真模型及S参数2.2 输入低通滤波器设计输入低通滤波器实现两个功能：第一，实现天线与二极管后端电路的阻抗匹配，第二，使基波（2.45GHz）无损耗通过，反射后端由非线性原件二极管产生的高次谐波。本设计采用阶跃阻抗滤波器来实现低通功能。通过设计，下图3列出了最终确定的滤波器仿真模型及参数：图3 滤波器仿真模型及S参数2.3 整流电路的设计2.3.1 整流电路的理论分析二极管是决定转换效率的关键因素3。影响二极管转换效率的最重要的参

8、数是寄生结电容和串联电阻。整流电路模型如下图4所示：图4 整流电路模型示意图二极管的射频-直流转换效率4表达式如下： （1）其中， （2） （3） （4）为输出直流电压，为直流负载，为整流二极管的串联电阻，为二极管的内建电压，为二极管导通角，由下式导出 （5） （6）为零偏置结电容，从公式(5)及(6),(3)可以看出，整流二极管的接触电阻和越小，由公式(1)导出的整流天线的转换效率越高。所以,二极管的和是影响二极管整流效率的关键因素。在选用二极管的时候，应选择和比较小的管子。根据对国内二极管的型号调研，选择Agilent HSMS 282C势垒二极管，SOT-323封装，二极管的主要SPIC

9、E参数：最大反向电压=15V，寄生结电容=0.35pF，串联电阻=12。根据公式（1），下图5给出了一个以负载电阻（欧姆）为自变量的二极管的理论转换效率：图5 二极管理论转换效率2.3.2 整流电路（含低通滤波）的仿真整流天线系统的仿真电路图如下图6所示，在仿真时加入了隔直滤波器防止直流返回信号源。输入低通滤波器与二极管后端之间用匹配电路进行阻抗匹配，直流输出滤波器采用的是四分之一波长微带线和一个电容组成5。图6 整流电路仿真电路图图7 整流电路仿真结果从上图7中可以看出在负载电阻等于800ohm时，效率相对最高。当二极管的反向电压小于，最大承受的输入功率为300mW（输入到系统的功率为280

10、mW，信号源内阻吸收的功率为20mW），此时，负载得到的直流功率为191mW，此时效率最高68.5%。3 整流天线的实测结果3.1 天线单元和滤波器分该天线单元的实物图如图8，经测试，天线在2.45GHz处，驻波小于1.5，增益8.1dB。滤波器的实物图如图9所示，在2.45GHz处差损为-0.24dB。图8 梳状天线实物图图9 滤波器实物图及S参数3.2 整流电路整流电路实物图（图10左）和实测转换效率曲线（图10右）如下图所示。从实测转换效率图上可以看出，该整流电路的转换效率高于60%。图10 整流电路实物图及实测转换效率4 结论本文设计了一种实用的整流天线，它采用梳状天线作为接收天线的基

11、本形式，实测转换效率大于60%。这种整流天线形式不仅有一般微带整流电路的加工简单，重量轻等方面的优势，而且具有梳状天线的馈电网络简单，易于扩展，能够根据不同的工作应用场合提供整流天线实现最高效率所需要的增益。本文所测试的转换效率只是整流电路（含低通滤波器）的效率，接下来的进一步工作是将整流天线进行整体测试。参 考 文 献1Brown W.C. The history of wireless power transmission. /Solar Energy. 1996-. 56(1): pp. 3-21.2Glaser P.E. Power from the sun; its future.

12、/Science. - 1968-. 162(3856): pp.857-861.3T. Yoo and K. Chang， Theoretical and experimental development of 10 and 35 GHz rectennas， IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， vol. 40， no. 6， pp. 1259-1266， June 1992.4James O. McSpadden，Lu Fan， and Kai Chang，Design and Experiments of a Hig

13、h- Conversion- Efficiency 5.8 GHz Rectenna J.IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES. VOL. 46，NO. 12， DECEMBER 1998:2053-20595邓红雷，孔力. 高效率微波输电微带贴片接收整流天线的研究与设计. 太阳能学报J,2006年2月第六期作者简介：赵鹏，男，硕士，主要研究领域为天线技术等；杨春，男，博士，主要研究领域为微波与天线技术等。新型弹载宽频背腔菱形微带天线的研究和实践任冬梅 庄 馗 (中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳621900)摘 要：

14、提出了一种新型的弹载微带天线背腔菱形微带天线，推导了天线的阻抗特性。仿真和测试结果表明，该天线驻波带宽（SWR小于2）有9%，为常规设计的3倍。E面波束宽度达110度，H面波束宽度46度，增益8.2dB，交叉极化为-15dB。天线剖面很低，不足工作波长的3%。整个工作频段内辐射特性稳定，适合作为弹载引信、测控天线。关键词：弹载天线 微带天线 低剖面 宽频Research and practice of a novel wide-band cavity-backed diamond microstrip antenna on missiles Ren Dong mei Zhuang Kui(In

15、stitute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering Physicals, Mianyang Sichuan 621900)Abstract: In this paper, a novel microstrip antenna on missiles, cavity-backed diamond microstrip antenna is described, whose input impedance is inducted. Simulation and test results prove that the ant

16、enna has 9% bandwidth (vswr less than 2), three times of commonly designs. The 3dB beam-width is 110 degree in E-plane and 46 degree in H-plane, the gain and cross-polarization level is separately 8.2 dB and -15 dB. The antennas profile is very low less than 3% of operating wavelength. The antenna h

17、as stable radiation patterns in all the frequency band and is thus suitable for fuze , telemetry ,telecommand antennas on missiles.Keywords: antenna on missiles; microstrip antenna ; low profile; wide frequency1 引言微带天线123在弹载天线作用上具有很多优点:剖面低、重量轻、共形性好、成本低,且安装时不影响弹体结构的强度,很容易实现装置小型化。由于安装空间受限，从提高导弹作战性能的角度

18、出发，设计宽频、高效率弹载微带天线很有必要。常规的矩形，方形，圆形，圆环形等谐振微带贴片天线的带宽窄(只有3%),增益低(6-7dB),效率低。基于此，本文提出了一种新型的弹载宽频高效率微带天线背腔菱形微带天线，并对其进行了仿真和试验研究。2 弹载背腔菱形微带天线结构及工作原理弹载背腔菱形微带天线的结构见图1，天线由两层基片和腔体构成，辐射贴片腐蚀在厚度为3mm的基片上，上面覆盖一厚度为2mm的基片作为天线罩，基片的。采用同轴插座进行底馈，天线口径的电场分布见图2，天线工作于TM01模。(a)俯视图(b)侧视图图1 背腔菱形微带天线的结构示意图图2 背腔菱形微带天线的口径电场分布3 弹载背腔微

19、带天线的谐振特性微带天线的一个主要缺点是频带窄，其限制因素主要是阻抗特性。微带天线阻抗频带窄的根本原因在于，它基本上是一个漏波空腔，它的谐振特性犹如一个RLC并联谐振电路。对于用同轴探针馈电的微带天线，还必须考虑探针引入的电感，此时天线的谐振电路可用图3表示。图3 同轴探针馈电的微带天线谐振电路其中，串联电感4LP代表由同轴探针引入的电感，R是用空腔模型计算的微带天线的输入电阻，L、C构成并联谐振回路。 （1） （2） （3） （4）由于探针电感的存在，导致谐振阻抗相对腔体模型计算值有一个频率漂移，a代表同轴探针内导体半径，BW是工作带宽。 （5）在已知中心频率f0、工作带宽BW，基片介电常数

20、、厚度h等参数时，由公式(1)(5)可以求解出探针半径a。另外，值得指出的一点是，在安装空间受限以及低剖面要求的弹载应用场合，加厚基片也是展宽微带天线频段的有效手段，但是h过大会引起表面波的明显激励，表面波到达基片边沿时产生反射散射,导致天线增益下降，交叉极化增大辐射效率降低。当基片厚度满足下式5时,表面波可以忽略。 （6）4 天线仿真设计根据上节的谐振特性设计出得出的菱形微带天线尺寸见图4，同轴内导体的半径为1mm。用有限元法对天线进行仿真，中心频率的辐射图形见图5，从图5可以看出，电场面E面的3dB波束宽度为106，磁场面H面的3dB波束宽度为44，E面波束宽度宽于H面。考虑导弹飞行过程中

21、的适应性，要求天线在与弹轴垂直的方向即弹体圆锥面为全向，为此采用双根天线并联使用形成全向的干涉图形，且用天线的E面覆盖圆锥面。.图4 辐射贴片的尺寸示意图图5 中心频率处的辐射图形5 弹载背腔菱形微带天线的测试弹载天线对于导弹的准确制导、引信点火控制等关系重大,所以对弹载天线辐射特性的准确测量尤为重要。弹载天线尽管形式多样,但与弹体溶为一体,测量时弹体与其上所载天线是不可分开的。对于大型导弹,由于其体积和质量大,要架设到天线测量转台支架上是不实际的,因而在实际测量中往往是把弹体尾部圆柱的一部分作截断处理6。 根据前面的研究结果制作的原理样机见图6，将天线齐平安装在实验室弹体上，在微波暗室测试了

22、天线阻抗特性和方向图，测试结果见图7-9. 从以上图形可以看出，驻波小于2的带宽为9%，为常规设计的3倍。单根天线在中心频率时圆锥面和子午面的3dB波束宽度分别为110.74和46.48，增益为8.21 dB，与仿真结果吻合。子午面波束偏转了2，在设计具体的弹载天线时，应根据天线工作时弹体的姿态以及弹目交会状态调控波束的偏转。双根并联使用的增益为5.04dB，子午面波束宽度为47.72，圆锥面干涉包罗起伏小于3 dB，天线的交叉极化为-15dB,整个频段内辐射特性稳定。 图6 天线样机图7 天线的驻波测试(a)圆锥面(b)子午面图8 单天线中心频率的辐射图形(a)圆锥面 (b)子午面图9 双根

23、天线并联使用中心频率的辐射图形6 结论本文提出了一种新型的弹载微带天线背腔菱形微带天线，用等效电路模型推导了天线的阻抗特性。测试结果表明该天线增益高达8.21 dB，在E面和H面的3dB波束宽度可达110.74和46.48，和仿真结果吻合很好，这样的天线双根并联使用，且用E面覆盖弹体圆锥面，可以作为弹载引信或者测控天线使用。该天线剖面很低，不足工作波长的3%,交叉极化电平低（-15dB），在9%的工作带宽内性能稳定。参 考 文 献1毛康候.飞机天线工程手册M.北京:国防工业出版社,1989.2毛康候.弹上引信天线的研究J.现代防御技术,1997,4 (4): 114-116.3曹成茂,张河,陈若飞.引信信息遥控装定与弹载天线设计.弹箭与制导学报,2005.4John L. Volakis，Antenna Engineering Handbook, Fourth Edition,2007.5Girish Kumar,K. P. Ray. Broadband microstrip antennas,20036丁小雷，王建，林昌禄. 弹载天线载体截断对天线辐射特性的影响.电波科学学报,2001年3月.作者简介：任冬梅，女，中级工程师，硕士研究生，主要从事天线设计以及微波器件的研究。庄馗，男，中级技师，主要从事天线以及微波器件的调试和测试。