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5.8-GHz的圆极化双二极管整流天线和整流阵列天线微波输电
Yu-Jiun Ren and Kai Chang, Fellow, IEEE
摘要:本课题是一个包括两个二极管整流电路的新的圆偏振微波。该微波由共面带状线(CPS)截断贴片天线和CPS带通滤波器组成,它是一种可以阻止谐波信号的整流电路，并且具有三阶再辐射的能力。整流天线是印在.2的厚度为20毫米的罗杰斯特耐用5880基板，新的双二极管整流天线提供的直流输出电压至少是具有相同的布局尺寸的单个二极管传统整流天线的两倍。双二极管整流天线在5.8 GHz的时候实现了射频到直流的76％的转换效率。新提出的整流天线可以通过并联和串联连接以形成整流天线阵列。据发现，级联的整流天线阵列可提供最高的输出电压。天线元件可以很容易地扩展为一个行波天线或适用于在无线电力传输应用的高输出电压或电流阵列。
关键词:圆极化天线，共面带线（CPS），微波输电，整流天线，整流天线阵列。
1引言
在上个世纪，空间太阳能传输（SPT）和微波的无线电力传输（WPT）已经成为一个在未来的能量传输方面的有趣话题。整流天线是在SPT和WPT的应用中最重要的组件之一。整流天线已被用于地面到地面，地面到空间和空间到空间送电，它的发展已经经过了考核[1] - [3]，一种新的双频整流天线被报道在[4]中，其中，使用一个圆极化天线，已被证明在便携式无线设备方面是一个有用的应用。
用谐波拒绝圆形扇区天线的整流天线在[5]中提出，整流天线可避免使用低通滤波器连接天线和整流二极管。一个新型9dB的高增益贴片天线被设计为无限地面共面波导整流天线[6]。贴片天线具有的特征比得上一个二单元天线阵列，因此，它可以允许整流天线不仅接收更多的功率，也更紧凑。此外，新的双插槽贴片天线，提出打造整流天线[7]; 这些时隙之一产生右旋圆极化，而另一个生成左手圆极化。
最近，似乎圆偏振（CP）的天线在设计整流天线时已经成为重要的特征之一 [4]，[7] - [10]。圆偏振避免改变由于发射机或接收机的旋转而产生的输出电压。传统上，在整流天线设计中使用偶极或贴片天线。共面带状线（CPS）通常被用于偶极或类偶极式天线。它可用于若干天线元件为更高的增益而结合，也能够更容易地形成天线阵列。许多CPS-供给的整流天线已在最近的研究中出现[11] - [13]。使用高增益天线减少所需整流天线元件的数目。在大多数情况下，具有较高增益的天线将覆盖一个大的有效面积。因此，存在天线增益和天线区域之间的折衷。
提供高的直流输出，整流天线阵列能够修正大量输入电源的参数。整流天线阵列可以用来连通不同的整流天线元件 [9]，[14]，[15]。每个连接都有自己的输出功能。为了获得最佳输出电压，应使用相同的整流天线元件和最佳负载电阻 [16]。否则，整流天线元件的组合必须仔细考虑。另一方面，由整流电路辐射的谐波信号是整流天线设计的潜在问题。三阶谐波和第二阶谐波的功率电平可以具有相同的顺序 [17]。因此，最好是使用高次谐波抑制设备同时抑制二阶，三阶，甚至更高阶的谐波信号。
几个电路分析模型已被提出来分析整流天线[18] - [20]。由于二极管不是线性装置，其可以产生谐波信号，这不容易制定一个完全正确的模型。两者的线性电路模型和非线性电路模型可以用于预测硅整流二极管天线的行为，非线性模型有更好的准确度，尤其是当每个整流天线元件具有相对不同的输入功率的时候[21]。
在过去的硅整流二极管天线的发展中，单二极管配置在大多数整流电路中，充当了半波整流器的作用。半波倍压器结构是很少使用的，这可参见[4]和[8]。要获得双倍甚至更高的输出，可以应用全波整流器。然而，与半波整流器相比，全波整流器可能需要更多的整流二极管和需要更多的部件，从而导致更复杂的电路和更大的电路规模。
在本文中，有低成本，紧凑和高输出电压整流天线的建议。CP CPS-馈送截短补丁整流天线设计，看起来像一个两元件贴片天线阵列，因此，具有比单一贴片天线更高的增益。高次谐波，拒绝CPS带通滤波器（BPF）被设计为从整流电路抑制谐波信号的器件。整流天线包括在所述整流电路的两个二极管。通过使用双二极管CON组的配置，所述整流天线可产生比单二极管整流天线至少高两倍的直流输出电压，而整流天线的尺寸是不变的。这些新颖的整流天线，称为双二极管整流天线，可以通过互连容易地组合，以提供更高的直流输出电压或功率。它在三种类型的互连被证明，包括串联，并联，和级联连接。一个简单的线性模型被用于预测互连整流天线阵列的输出特性。当功率密度较低时，则CPS馈天线和硅整流二极管天线电路可以很容易地扩展为一个行波天线阵列，其具有更高增益更多的收集RF功率。一个6和16贴片天线阵列展示了双二极管整流天线的应用。
2整流天线设计
- 整流天线组件
新开发的双二极管整流天线示于图1，它由一对CP截断贴片天线的谐波拒绝BPF来抑制谐波信号，两个探测器二极管和一个直流通滤波器（电容器）完成射频到直流的转换。阻性负载会影响输出电压和整流天线的效率。由CPS供给的CP TPA有高的增益和高的辐射效率。电路和天线可以被复制和扩展，以形成一个行波天线阵列。在BPF传递所生成的5.8 GHz的信号和高次谐波信号，通过二极管后，RF功率整流为直流电源。二极管的转化效率是确定整流天线性能的关键因素。直流滤波器不仅可以调出二极管的电抗，而且还阻止到达电阻负载不需要的RF信号。电路被印刷在罗杰斯特耐用5880基板上，没有必要为任何元器件通孔。一个全波三维（3-D）的电磁模拟器IE3D由泽兰德，弗里蒙特，加州生产，用于设计CPS，CPS贴片天线，和CPS BPF。
- CPS参数
该CPS示于插图1，该CPS间隙为0.2毫米，它是在每个部分包括天线馈送线，BPF，和传输线用于阻抗匹配。基板的厚度为0.508毫米（20密耳）和介电常数为2.2。导体厚度为1盎司，铜的金属厚度为0.036毫米（1.4万美元）。在5.8千兆赫，传输线部分（CPS从二极管到负载电阻）的有效介电常数是1.84，是38.06毫米，其特性阻抗为120。和这个被选择的天线阻抗相匹配的BPF和二极管在[10] - [12]中，他们可以减少这些部件之间的反射信号。
- CP TPA
该TPA已经成为一种流行的CP天线，已被广泛应用于在许多系统中。圆偏振的优点在于，整流天线性能不受到影响，由于电路的转动显著，通常单个微带贴片天线不能提供足够高的增益。在这里，有一个新的技术，开发使用CPS线的CP微带贴片天线的最大功率可被传递到BPF，并且由于贴片和CPS之间的过渡损失最小化，两个补丁用的天线增益提高。 CPS的CP TPA设计用于5.8千兆赫的布局在图1中给出。长度和贴片天线的宽度和其截短位置需要仔细设计，才能有良好的天线性能，和相对低的轴比（AR）。在这种情况下，截头位置产生一个左手圆极化。右旋圆极化可以通过截断在另外两个顶点的矩形贴片来获得。为了评估整流天线的性能，天线应该连同BPF结合，以确定它的输入阻抗和辐射图，因为BPF将耦合到天线，因此，会影响天线的性能。此时，CPS的CP TPA具有6.87 dB的增益和0.14dB的AR.他的输入阻抗为100Omega;。
- CPS BPF
CPS BPF被设计成从天线到整流电路通过一个5.8 GHz的信号的模型。BPF布局在图1给出，通过调整这些存根的尺寸，高次谐波可以阻止或通过。BPF被嵌入两个微小不平衡变压器的BPF馈送线连接中，即，它的输入和输出端口的测试。它们必须被用来将网络连接滤波器连接到HP8510C网络分析仪的同轴电缆连接器上。测量的回波损耗和CPS BFP的插入损耗示于图2。在5.8千兆赫，从天线到二极管的回波损耗和插入损耗分别是17.73和0.48分贝。该CPS BPF能有效阻断来自整流电路向贴片天线中产生的11.6和17.4千兆赫的第二和第三谐波，列于表1，此外，该滤波器可用于天线的电阻匹配到的检波二极管。
- CPS CP TPA CPS BPF
贴片天线和BPF与检测器二极管和直流通滤波器积分之前，有必要对CPA和CPS BPF结合。天线的馈送线已被调谐到匹配滤波器。图3显示出了CPS的CP TPA和BPF测量的回波损耗。在5.8千兆赫的基频电压驻波比（VSWR）是约4％。测得的CP天线增益和AR在表4中被示出，在5.8GHz时，它具有6.38分贝的增益和0.42 dB的AR。输入阻抗为120Omega;。由于天线和BPF之间的耦合，天线性能稍有改变。
- 检波二极管和DC通滤波器
在双二极管整流天线中使用的二极管是M / A COM，洛厄尔，MA砷化镓肖特基势垒二极管（型号MA4E1317）。它有一个串联电阻，零偏置结电容，正向偏置导通电压和击穿电压。二极管显著的结电容会影响其效率，这是二极管输出电压的函数，并且由下式给出
是二极管的输出的自偏置电压。更高的结果在一个较小的结电容，这也提供了一个更好的转换效率。最大效率出现在接近于零。此外，二极管应操作接近其电压限制，尽量减少它的电抗。这减少了重新RF功率的挠度在二极管终端，并因此增加了整流天线的效率。
在[18]中，Yoo和Chang提出了一个二极管模型来预测整流天线的性能。理论方程式来计算基于该模型的射频到直流的转换效率，[11]中提出并且已经显示该方程能够正确使用的CPS结构，预测了5.8 GHz的整流天线的性能。在双二极管电路中，为负载电阻,是二极管的电阻的时候，替换 [11](5)–(7)的为 ( )，为 ( )。假设二极管电抗被调谐。二极管的输入电阻可以在[11]中找到。应该注意的是，二极管阻抗是依赖于输出电压，这是由输入RF功率的影响。
宽频带隔直流片状电容器被选择作为直流通滤波器。该电容器是由介电实验室的卡泽诺维亚，NY制造的，其系列号为C08BLBB1X5UX。检测器二极管和隔直流电容器通过使用银环氧树脂安装在整个CPS中。
- 整流天线测量
为CP整流天线的测量方法和设备安装试验已经在[10]中研究了。射频 - 直流效率被定义为
当是直流输出电源。弗里斯传输等式用于计算功率传播到CP天线的。一个NARDA标准喇叭天线（型号642，NARDA 微波公司，哈帕克，NY），以15-dB的增益被用于发送RF功率，并且整流天线增益被设置为等于6.38分贝。通过改变喇叭天线和整流天线之间的距离，对于不同的功率密度的效率被确定。图5表示直流输出电压作为各种二极管配置和外部电阻负载功率密度的函数。与图1中所示的CPS单并联二极管的整流天线比较，其测量结果也示于图5。单并联二极管整流天线可以被看作是一个传统的半波整流器天线。显而易见的是新开发的整流天线，产生至少两倍和他们相同的布局尺寸的单并联二极管整流天线的直流电压。双二极管整流天线的最大输出电压比器（VR），使用100-，150-，200-和300-单分流二极管整流天线，负载分别是2.7，2.5，2.6和2.5。有一个较高的负载电阻也将有较高的输出电压，整流天线之间有类似的趋势。这些结果表明，双二极管整流天线具有稳定的性能，并且能够产生更高的输出，可以媲美单并联二极管整流天线。作为输出电压达到11-12伏，整流天线将是“饱和的”。在这之后，在整流电路的第一个二极管由于过高的功率可能被损坏。图6显示出了RF到DC转换效率作为各种负载的功率密度的函数，计算效率与实测结果吻合。最好的效率，即76％，发生在100-负荷而直流输出电压为6.22 V时. 使用其他负荷的效率是70％左右。据观察，在效率逐渐作为负载电阻增加时，类似报道中的结果的趋势减小[6]。
3整流天线阵列
在最近的整流天线的发展中，研究人员专注于单整流天线元设计的研究。然而，必要时的大直流电压是希望开发的一种整流天线阵列。这里，整流天线元件相互连接以形成不同互连的整流天线阵列。因为每个互连有它自己的输出要素，一个简单的线性等价模型被配制来预测整流天线阵列的性能。使用相同的整流天线元件阵列通常具有更好的性能。然而，在实践中，每个元件接收相对不同的功率时，需要小心对元件位置的安排。
4阵列用于低功率密度应用
为了实现更高的接收功率，CPS的双贴片天线在图11（a）中，可以扩展到成为由一系列馈送更多的CPS天线元件组成的行波天线。波会从馈点传播并朝向天线的端部行进。可以设计元件的分离距离为引导宽边天线的主波束。具有三个CPS双贴片天线元件的一个行波天线示于图11（b）。通过仔细设计馈送系统，可以发现贴片元件数量是双倍增益的行波天线的一倍。天线仍然是圆极化的。这六个补丁行波天线具有12dB的增益和0.73 dB的AR。16贴片天线，在图11（c）所示，具有再次16.5分贝的增益和1.33 dB的AR。
测得的输出电压与六补丁的行波天线的转换效率示于图12。高增益天线可以比具有相同功率密度的天线提供更高的直流电压。然而，输出电压应受饱和在11-12 V，不能超过13 V，因为该二极管可能被烧坏。其转换效率比双贴片阵列的略高。最大效率对应于8.12-V的输出电压时是74％。此外，如果需要更高的增益，可以延长每一对CPS的CP天线成为一个大的天线阵列。由16贴片阵列的例子示于图11（c）。最大效率是74％，而输出电压为12.6 V。16贴片天线由于其较高的增益可以得到更多的直流输出电压。如前面提到的类似的方法，采用行波天线的整流天线也可以被互连以形成整流天线阵列，这是能够达到的高输出电压的要求，适合于长距离低功率密度的功率传输。高输出电压应用，齐纳设备可以用于保护击穿整流电路。
5结论
在本文中，一个5.8 GHz的双二极管整流天线及其阵列已经被开发出来了。截短的双贴片天线达到6.38 dB的增益和0.42 dB的AR。所使用的CPS BPF能够抑制超过32 dB来自二极
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