（电磁场与微波技术专业论文）无线输能系统中整流天线的分析与设计.pdf

上海丈学硕| 二学位论文 摘要 微波输能技术兴起于解决地球能源问题的手段之一太阳能卫星，目前 已应用于许多领域，在为一些微系统供能方面显示了独特的优势，例如射频识 别( r e i d ) 、管道机器人、无线传感器等。整流天线是微波输能的关键技术。本 文在对整流天线技术的研究现状进行分析、总结的基础上，对整流天线技术进 行了深入和系统的研究，主要做了四方面的工作。 第一，对整流天线中二极管进行了详细分析。用解析法推导出整流二极管 整流效率和输入阻抗的闭合公式，然后用a n s o f td e s i g n e r 软件分析整流二极管 的等效电路，并用一组实测值验证了闭合公式和软件分析的有效性。 第二，在设计整流电路中的输入低通滤波器时，为了减小滤波器的体积， 提出了一种新颖的微带缺陷结构( d m s ) 低通滤波器，设计制作了可工作于 2 4 5 g h z 的d m s 低通滤波器；然后进一步分析了d m s 结构与缺陷地结构( d g s ) 的组合结构，设计制作了一个3 d b 截止频率为5 2 g h z 的低通滤波器。 第三，为了提高接收天线的增益，同时降低接收天线与整流电路的互耦影 响，采用口径耦合圆极化微带天线阵作为整流天线的接收天线，使用a n s o r e n s e m b l e 软件分析了单元间距对天线阵列各性能的影响，并设计、制作了两个 2 x 2 元口径耦合圆极化微带天线阵，其工作频率分别为9 7 5 g h z 和1 0 g h z ，分 别测得其中心频率上的轴比为1 0 2 4 d b 和0 9 2 5 ，两阵列s 。小于一1 5 d b 的带宽 都达到1 g h z 以上。 第四，对整流天线进行整体分析研究，提出了整流天线一体化分析模型。 实际设计制作了一个i o g h z 的整流天线，并在微波暗室中完成了实验测量。实 测结果与仿真结果较吻合，测得最大输出电压为2 4 5 v ，最高转换效率为5 8 。 最后总结了影响整流天线效率的因素，提出了进一步提高整流天线效率的途径。 关键词：无线输能，整流天线，圆极化微带天线，低通滤波器，整流效率， 缺陷微带结构 v i 上海大学硕t 学位论文 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fm i c r o w a v ep o w e rt r a n s m i s s i o n , w h i c hi sd e v e l o p e df r o ms o l a rp o w e r s a t e l l i t et os o l v eg l o b a le n c l g yc r i s i s ，i sa p p l i e di nm a n yd o m a i n sn o w a d a y s ，e s p e c i a l l yi nt h e s o u r c es u p p l yf o rm i c r o - s y s t e m , s u c ha sr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f m ) ，p i p e l i n er o b o t a n dw i r e l e s ss e n s e t c r e c t e n n ai st h ek e yt e c h n i q u e so fm i e r o w a v ep o w e rm 蛐i s s i s y s t e m b a s e d t h ea n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n gt h es t a t u sq u o t h e “x 札= n l 郴a r es t u d i e di n d e t a i la n ds y s t e m i c a l l yi nt h i st h e s i s f o u r w o r k sa r ci n c l u d e d f i r s t l y , r e c t i f y i n gd i o d ei sa n a l y z e dp a r t i c u l a r l y a n a l y t i c a lm e t h o di su s e dt oe d u c et h e c l o s e de x p r e s s i o n so fd i o d e sr e c t i f y i n ge f f i c i e n c ya n di n p u ti m p e n d a n c e t h e nt h ee q u i v a l e n t c i r c u i t so fr e c t i f y i n gd i o d ea r ca n a l y z e db ya n s o f ld e s i g n e r t h em e a s u r e dr e s u l t sv a l i d a t et h e c l o s e df o r m u l a ea n ds i m u l a t e dr e s u l t s s e c o n d l y , an o v e ll o w - p a s s f i l t e ru s i n gt h ed e f e c t e dm i c r o s t r i ps t r u c t u r e ( d m s ) i s p f o s p o s o di no r d e rt od e c r e a s et h es i z eo f t h ef i l t e r sa n dt h er e c t i f y i n gc i r c u i t s ad m sl o w - p a s s f i l t e rw o r k sa t2 4 5 g h zi sd e s i g n e da n df a b r i c a t e d a f t e ra n a l y z i n gt h ec o m b i n a t i o no f d m sa n d d e f e c t e dg r o u n ds l i u e t u i ( d o s ) ，w ed e s i g na n dl e s tal o w - p a f i l t e ru s i n gd m s - d g s ，w h o s e 3 d bc u t o f f f r e q u e n c yi s5 2 g h z t h i r d l y , t h ec i r c u l a r l yp o l a r i z e dm i c r o s t r i pa r r a yf e db ya p e r t u r ec o u p l i n gi ss u g g e s t e di n o r d e rt oi m p r o v et h eg a i no f r e c e i v i n ga n t g l l n aa n dr e d u c et h ei n f l u e n c e sb e t w e e l lt h er e c e i v i n g a n t e n n aa n dr e c t i f y i n gc i r c u i t t h ei m p a c t so f a r r a yd i s t a n c eo na r r a yc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y s e d b ya n s o f te n s e m b l e t w o4 - e l e m e n ta r r a y s ，w o r k i n ga t9 7 5 g h za n d1 0 g h z ，a r ed e s i g n e da n d f a b r i c a t e d i ti sm e a s u r e dt h a tt h ea x a i lr a t i oa tc e n t e rf i e q u e n c yi s1 0 2 4 d ba n d0 9 2 5 d b ， r e s p e c t i v e l y t h e i r b a n d w i d t h s o f s ul e s s t h a n1 5 d br e a c h t o m o r e t h a n1 g h z f i n a l l y , t h er e e t a n n ai si n v e s t i g a t e di n c o r p o r a t e l y a n a l y s i sm o d e lo fr e c t e n n ai sp r o p o s e d t b e1 0 g h z - r e c t c n n ai sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d 1 ke x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u ti n c h a m b e r m e a s u r e dr e s u l t sa g r e ew e l lw i mt h es i m u l a t e dr e s u l t s t h eo u t p u tv o l t a g er e a c h e st o 2 4 5 va n dt h er f - d cc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yr e a c h e st o5 8 a tl a s t t h ef a e t o r sa f f e c t i n gt h e e f f i c i e n c yo fr e c t a n n aa r cs u m m a r i z e da n dt h em e t h o d so fi m p r o v i n gr e c t i f y i n ge f f i c i e n c ya l e p r o p o s e d k e y w o r d s ：w i r e l e s sp o w e rt r a n s m i s s i o n , r e c t e m m , c i r c u l a r l yp o l a r i z e dm i c r o s t r i pa r m y , l o w - p a s sf i l t e r , r e c t i f y i n ge f f i c i e n c y , d e f e c t e dm i c r o s t r i ps t r u c t u r e ( d m s ) v i i 上海人学硕上学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：董阻日期：主业毛 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：童0 k 互一导师签名：j 函翠日期：士牲 1 1 1 上海人学硕t 学位论文 1 1 引言 第一章绪论 自从1 8 8 6 年赫兹试验证明电磁波的存在以来，人类便开使对世界有了崭新 的认识，无线传播技术也逐渐成了人类科学技术的重要组成部分。无线技术最 初在通信领域得到了应用，并一直经历着日新月异的发展。1 8 9 9 年n i k o l a t e s l a 成功地实现人类历史上第一次电波传播实验【1 】，在那之后，人们便开始了无线 传输系统的研究，但基本上都是以传输信号为目的。到了二十世纪五十年代， 美国等西方国家提出了太阳能卫星的计划【2 】，计划通过太阳能卫星，将太阳能 转换成微波能量并传输到地球加以利用，此应用以传输能量为目的。这一计划 的提出，推动了微波无线输能技术( w p t ：w i r e l e s s p o w e r t r a n s m i s s i o n ) 的迅速 发展。 随着该技术的不断发展，其应用领域也日益广泛，除了应用在太阳能卫星 计划之外，还可以应用在微波驱动直升机、微波驱动高海拔通信平台，管道机 器人供能、r f i d 系统供能等。9 0 年代以来，微波集成和半导体技术的发展又 为无线输能开拓了新的应用领域微系统领域。微系统技术的运用对地球资 源可以起到保护作用，并且可以节省能源、原材料和使用空间，同时还可以降 低生产成本，它将对经济和技术的发展发挥出良好的杠杆作用。微系统因其体 积小、重量轻、限制了电池寿命，而无线输能技术恰好可以弥补此缺点。经过 几十年的发展，微波技术在我国已具有了雄厚的理论和技术基础。因此开展微 波输能技术研究的条件已成熟并日益迫切。 1 2 无线输能技术基本概念 无线输能技术，就是不需要传输线，以空间为媒质直接将能量从供能设备 传送到接收设备。无线输能可以采取激光输能和微波输能，用激光进行能量传 输的好处是其能量密度大，传输效率高，但由于激光一直流的转换效率较低，激 上海大学硕士学位论文 光输能同时存在着受天气影响大、输出功率小等方面的不足，而微波输能恰好 克服了这些关键性的缺点。微波在空气中的传输损耗很小，微波一直流的转换效 率较高( 8 0 左右) ，适于长距离空中传输。 微波输能，就是将微波聚焦后定向发射出去，在接收端通过整流天线把接 收到的微波能量转化为直流电能。如图i - 1 所示，一般微波能量传输分为三步： ( 1 ) 直流( d c ) 电能转化为射频( r f ) 能量，并通过发射天线将射频能量发 射出去；( 2 ) 射频能量在空间的一定距离传输；( 3 ) 能量在接收端被收集并转 化为直流( d c ) 电能。 。 啷 圆口积 ： 卜 、矩形口径 l 实竣验证点， i t 舢fr 。k 。1 1 堂 h h i 一- - 4 ( d f g e n f q r d ) 2 ) 9 9 弘。誓l 4 5 - l ；3 r a m ，t t ，f n 一、 ll r 一辱 图1 - 2 空间能量传输效率n 与f 的曲线图 5 微波在发射天线和接收天线间的自由空问传输，只要发射天线和接收天线 的口径分布满足一定的条件，其传输效率可接近1 0 0 9 6 3 ，4 。定义参数f 为： r = 积妒辱 m t ， 兹1j1j_- 上海大学硕二 学位论文 其中4 、4 分别为发射和接收天线的有效面积，五为工作波长，d 是微波在自 由空间传输的距离。图1 2 示出了微波在自由空间的传输效率i l 与f 的关系， 图中假设发射天线的口径场分布为高斯型。从关系中可以看出，只要r 大于2 ， 微波能量传输效率可以近似达到1 0 0 。从f 的公式中可以看出，距离d 增加 的效应可由4 ，彳，的增加或旯的减小来补偿。 天线在自由空间辐射场某一点的功率密度p 可以表示为： p = 器( 1 - 2 ) 式中和g 分别为发射天线的辐射功率和增益，d 为空间某点到发射天线的距 离，则接收天线接收到的功率只可以表示成： p = 4 p = g ，丢尸仉 ( i 3 ) 式中g ，为接收天线的增益，4 = g ，笔为接收天线的有效口径面积，为发射 天线与接收天线间的极化效率。 定义整流天线的r f d c 转换效率n 为： 口：叠0 - 4 ) ， 因此； 打= 矗 m s ， 1 3 微波输能技术的发展与应用 电磁波输能的历史可以追溯到赫兹( h e r t z ) 的电火花实验，最早产生微波输 能设想的是尼古拉特斯拉( n i k o l a t e s l a ) ，他的首次实验完成于1 8 9 9 年。由于 没有技术的发展作先导，其微波无线输能的尝试没有取得成功。磁控管的出现， 为大功率微波的产生奠定了基础；二次世界大战的爆发又极大地推动了微波技 上海大学硕士学位论文 术、天线以及相关学科的发展。但是人们着手将这些新技术应用于微波无线输 能则是5 0 年代后期的事。古博( g o u b a u ) 、施瓦i 天l ( s a h w e i n g ) 等人首先从理论上 推算了自由空间波束可达到近1 0 0 的传输效率，并随后在实验上得到了验证。 紧接着，美国陆军、空军、航天局等开始资助以布朗( w i l l i a mc ：b r o w n ) 等人为 首的雷声公司( r a y t h e o n ) ，以及一些研究中心，从事微波输能的研究。 微波输能技术的近代史可以追溯到2 0 世纪六十年代【l 】，当时出现了能产 生波长为1 0 厘米的几百千瓦功率的微波管，那时才使微波输能成为可能。1 9 6 4 年，美国雷声公司首次演示了仅靠微波供能的简易飞行平台。飞行高度达1 8 米， 飞行时间1 0 小时。平台上安装的整流天线将微波能直接转换为直流，电机获得 的直流功率为2 0 0 瓦。实验使用了一只工作在2 4 5 0 m h z 、5 k w 的磁控管，椭圆 面反射器的直径为3 米。1 9 6 5 年，布朗等人演示了微波驱动模拟直升飞机飞行 的实验。飞机受照于微波束，其高度、俯仰、水平位移等参量全部通过机身的 微波传感器随波束自动进行调整。发射天线口径2 3 厘米。1 9 7 5 年，美国雷声 公司在实验室完成了交流到直流转换效率达5 4 的输能系统。系统工作频率 2 4 5 0 m h z ，整流天线直流输出功率为6 0 0 瓦。同年，加州理工学院j p l ( j e t p r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ) 实验室在野外完成了当时最大的微波输能系统。工作频率 2 3 8 8 m h z ，传输距离1 6 公里，整流天线面积2 7 平方米，8 4 的入射微波功率 被转换成直流电能，获得了3 0 千瓦的直流输出。 8 0 年代以后，国外的微波输能发展多为军事所用以及应用于太阳能卫星计 划，如1 9 9 2 年1 2 月加拿大学者伊斯特( t h o m a s w r e a s t ) 报道了s h a r p 高空永 久平台的些研究进展，其缩比模型早在1 9 8 7 年9 月就完成了低空试飞【5 】， 该永久平台工作在2 1 k m 的海拔高度，其通讯信号覆盖范围为6 0 0 公里内；1 9 9 3 年1 0 月，国际无线电联盟大会期间，日本n e c 公司展出了微波供能的无人海 岸巡航机的样机，地面发射功率l o 千瓦，飞机接收到1 千瓦；飞机自重1 5 公 斤，可负重5 0 公斤。 另一重要研究的方向则是用微波输能技术为微系统供能，如1 9 9 8 年，德国 人将其应用在多普乐雷达传感器中【6 】；1 9 9 9 年，德国人又将微波输能技术应用 于r f i d 系统的设计【7 】，该系统设计的工作频率在2 4 g h z ；2 0 0 3 年，日本发明 4 上海犬学硕t 学位论文 了一个极小的射频识别( r f i d ) 芯片，尺寸只有0 4 0 4 m m 2 【8 】，由2 4 5 g h z 微波供能，可应用于射频识别系统中；2 0 0 6 年，法国人研发出了一种集成的整 流天线系统【9 】，如图1 - 3 所示，该整流电路的工作频率为2 4 5 g h z ，r f - d c 转 换效率可达到6 5 。微波输能技术还对医学等领域有着很重要的研究价值。 图1 - 3 集成整流电路布局图 微波输能是社会发展对微波技术提出的新课题。上海大学自1 9 9 8 年开始， 对微机器人供电微波输能系统做了初步探讨 1 0 】，此后对整流效率的提高进行 了教为深入的研究【1 1 】，效率达7 5 ，如图1 - 4 所示。而以美国为首的发达国家 对微波输能的研究工作已开展了半个多世纪，因此大力发展微波输能技术将有 助于拉进我国与世界强国的技术差距，更好的造福于人类。 图1 4 整流天线阵结构图 上海大学硕t 学位论文 1 4 整流天线的研究现状 整流天线作为微波输能主要部件之一，是目前研究的重点和热点。其组成 如图1 5 所示，整流天线又可以分为接收天线和整流电路两个部分。整流电路 中低通滤波器的作用是让基频通过，反射二极管产生的高次谐波，避免这些高 次谐波通过天线辐射到空中降低了能量转化效率；直通滤波器的作用是让直流 通过，反射基频以上的谐波( 包括基频) ；直流负载是将电流转化为电压输出。 整流电路部分 ： 图1 5 整流天线原理图 在1 9 世纪6 0 年代，b r o w n 最早提出了整流天线这个概念，并且于1 9 6 3 年 实现了第一个能将射频能量转化为直流的整流天线 1 2 】，其工作在2 4 5 g h z 频 率点上，如图1 - 6 所示，由2 8 个半波振子构成，每个振子末端接了由半导体二 极管构成的桥式整流电路，输出功率7 w ，估算得到的效率为4 0 左右。该形 式的整流天线后来被应用于1 9 6 4 年的微波能量飞行平台的试验中，如图1 - 7 所 示，一共使用了4 4 8 0 个二极管。随后的几十年中，整流天线的转换效率不断被 提高，1 9 7 7 年，美国雷声公司的b i l lb r o w n 设计了一个由条状的铝质偶极子天 线和一个肖特基势垒二极管构成的整流天线，在2 4 5 g h z 输入功率为8 w 的条 件下得到了9 0 的转换效率【1 3 】。 图1 6 世界上第一个整流天线阵 图1 7 高空飞行平台的整流天线 6 上海丈学硕士学位论文 为了减小整流天线的尺寸，人们开始对更高的工作频段进行了研究。1 9 9 1 年，美国德克萨斯a & m 大学的k c h a n g 教授对3 5 g h z 和1 0 g h z 的整流天线 进行了研究 1 4 ，1 5 ，分别得到了3 9 和6 0 的效率，图l 8 为k c h a n g 的3 5 g h z 整流天线的结构图。由于毫米波段的微波器件昂贵且整流效率较低，因此人们 又将微波输能技术的研究频点放在了i s m 波段的5 8 g i - i z 。1 9 9 2 年，s s a h a 0 等人提出了一个工作在5 7 8 g h z 的整流天线阵【1 6 】，该阵列由1 0 0 0 个偶极子单 元组成，r f d c 转换效率高达8 0 。1 9 9 8 年，m e s p a d d e n 等人使用印刷极子整 流天线在5 8 g h z 的工作频率下达到了8 2 的转化效率【1 7 】，如图l - 9 所示。 图1 - 83 5 g h z 平面印刷偶极子整流天线 图l - 95 8 g h z 整流天线单元 开始，人们多以线极化天线作为整流天线的接收天线，随着移动技术的不 断发展，人们意识到了单一线极化在微波输能中的不利因素，线极化整流天线 需要将发射天线和接收天线的方向严格对准，那样才能获得较高的r f d c 转化 效率，这在无线移动通信和微波能量传输中将成为严重的弊端，1 9 9 4 年，c h a n g k a i 教授等人设计了一个双极化的印刷整流天线【1 8 】，其工作在2 4 5 g h z ，获得 了4 8 的转换效率，其结构如图1 1 0 所示。2 0 0 0 年，l a r r y 等人通过对双极化 整流天线单元组阵，其工作频率为8 。5 1 g i - i z ，将输出为4 v 的单元电路组合成整 流天线阵列，达n - f5 0 v 的相对较高的输出电压，从而可以驱动较大的机器 1 9 】， 如图1 1 l 所示。 图1 1 0 双极化圆形贴片印刷整流天线 图1 1 1 双极化缝隙耦合整流天线阵 7 上海大学硕上学位论文 最近的几年中，人们开始关注对圆极化整流天线进行研究。圆极化整流天 线有较大的位置自由度，可以减小由于发射与接收天线角度失配而产生的能量 损耗。2 0 0 0 年，c h a n gk a i 教授等人对圆极化整流天线进行了研究，设计的一 个整流天线由切角的贴片天线和微带电路构成，其工作频率在5 8 g h z ，r f d c 转化效率可以达到6 0 ，如图1 1 2 所示【2 0 】。2 0 0 2 年，c h a n gk a i 教授等人又 提出了一种新型的双菱形环结构的圆极化高增益高效率的整流天线 2 1 1 ，其工 作频率也在5 8 g h z ，转换效率高达8 0 ，这种天线可以沿轴向旋转而不改变输 出的直流电压，这种高增益的天线的好处在于对于同样一个固定的面积内可以 减少整流单元的数量，其结构如图1 1 3 所示。随后不久文献【2 2 1 阐述了更深层 次的研究，将该整流天线单元组成阵列，其转化效率可以达到7 8 ，如图1 1 4 所示。2 0 0 3 年，又出现了双频圆极化整流天线【2 3 】，使用短路环缝隙结构，如 图1 1 5 所示，该整流天线的工作频点分别在2 4 5 g h z 和5 8 g h z 处，该天线有 两个整流电路，以2 米的距离进行实验，2 4 5 g h z 处的输出电压超过2 v ，5 8 g h z 处的输出电压超过l v 。 加 l _ d c 脚o c a 州 - _ _ - tb p u l 啪岬憎h 拍晦 g d 岫d 枞抽p 嘲口* 竹 图1 1 2 切角贴片和微带电路组成的圆极化整流天线 t u 岫8 h b s 户卜h m 删i a | l g 印 l 酢h 蕾碡c p i 7 2 n 图1 1 3 双菱形环圆极化整流天线图1 1 4 双菱形环圆极化整流天线阵 上海大学硕l 学位论文 图1 1 5 双频圆极化整流天线结构图图1 1 6 扇形天线的整流天线结构图 l 帆 g 图1 1 7 螺旋整流天线结构图图1 1 81 0 g h z 整流天线阵 如今，整流天线的发展与应用已越来越广泛。2 0 0 3 年，美国有人提出了一 种扇形结构的天线作为整流接收天线【2 4 】，可以抑制高次谐波，从而可以省去 输入低通滤波器，其结构如图1 1 6 所示，工作在2 4 g h z ，转换效率达7 7 。 图1 1 7 所示的整流天线是由两片螺旋微带贴片直接连接整流二极管组成【2 5 】， 该天线的带宽比一般形式的天线要宽，该整流天线结构虽然紧凑，但天线与二 极管之间的阻抗较难匹配。该结构被组成6 4 单元阵列后用于回收微波能量。 2 0 0 5 年，一个1 0 g h z 的整流天线阵列被用来驱动压电传感- 器 2 6 1 ，该阵列结构 比较简单，天线后直接接了整流二极管，其估算的转换效率达5 0 左右，结构 如图1 - 1 8 所示。同年，又一款兼具无线局域网数据通信和整流功能的天线被提 出 2 7 】，其结构如图1 1 9 所示，作为数据通信天线的工作频率为 5 1 5 g h z 5 3 5 g i - i z ，作为整流天线的工作频率在5 。5 g h z ，其最大转换效率达 9 上海大学硕士学位论文 5 7 3 。随后研究人员尝试了使用共面波导和共面带状线结构来实现整流天线 【2 8 - 2 9 ，其结构分别如图1 - 2 0 和图1 2 1 所示，工作频率都是5 8 g h z ，最大转 换效率分别为6 8 5 和7 6 。 图1 1 95 5 g h z 整流天线结构图图1 2 0 共面波导整流天线 图1 - 2 1 共面带状线整流天线图1 - 2 2 蝶形反向整流天线阵 最近，为了将天线最大波束更好的对准功率源，一定范围内方向性偏差不 影响输出电压的大小，即增加系统的稳定性，c h a n gk a i 等人又开始对反向整流 天线进行了研究，他们设计的一款工作在5 8 g h z 的领结型反向整流天线阵如 图1 2 2 所示【3 0 】，其最大转换效率达8 4 。 目前国外整流天线技术已得到了很大的发展，而我国在微波输能研究领域 还处于萌芽阶段，1 9 9 8 年，电子科技大学的文舸一教授提出了用时域散射参数 1 0 上海大学硕上学位论文 法对整流天线进行分析优化，所设计的整流天线的转换效率为6 0 3 1 。2 0 0 4 年国内报道了一种线极化矩形微带贴片接收整流天线【3 2 】，结构如图l 一2 3 所 示，工作在2 4 5 g h z ，其仿真的转换效率在7 0 以上。要想追赶国外先进技术， 实现自主创新，必须深刻总结国外研究的发展经验，认清其未来的发展趋势。 _ 鲤婪 一 黏片接牧天线 lt 阻u t t t t # i 蔓鼍i 踊t t f t , - 图1 2 3 矩形贴片线极化整流天线 1 5 本文的主要研究内容 介于微系统的迅猛发展，微波输能作为解决其能量供给的有效手段之一， 本文对微波输能的关键技术整流天线进行研究。包括以下六章内容： 第一章，绪论。说明了本论文的研究背景，阐述了近年来国内外在微波输 能的基本概念，以及目前整流天线方面的研究成果，介绍了本文的主要研究内 容。 第二章，整流二极管的分析。首先介绍了整流电路的整流方式和原理，随 后推导了整流二极管转换效率、输入阻抗的闭合公式，然后利用a n s o f td e s i g n e r 对整流二极管等效电路进行了分析，并将仿真分析结果与实测结果比较，验证 了分析方法的有效性。 第三章，缺陷微带结构( d m s ) 低通滤波器。进行了d m s 低通滤波器的 研究，并进一步对d g s 和d m s 组合结构进行了研究，并运用该结构实际制作 低通滤波器。 第四章，口径耦合圆极化微带天线阵。介绍了微带天线圆极化技术及实现 上海丈学硕士学位论文 方法等基本理论。利用口径耦合圆极化单元设计制作了一种宽带圆极化微带天 线阵，并对阵间距对天线性能的影响进行了分析。 第五章，整流天线的分析与设计。将整流天线各部分连接在一起进行分析 设计，分别对天线结合滤波器以及整个整流电路进行了分析、优化设计和测试。 最后总结设计过程中的经验，分析了影响整流天线总体效率的因素。 第六章，结束语。总结全文并展望今后的研究方向。 1 2 上海大学硕t 学位论文 第二章整流二极管的分析 整流二极管是整流天线中的一个关键器件，它对整流效率起着决定性作用。 微波二极管，属于固体有源微波器件。1 9 世纪末发现了点接触二极管效应后， 相继出现了p i n 二极管、变容二极管、肖特基二极管、隧道二极管、耿氏二极 管等微波二极管。微波二极管的基片材料由锗、硅发展到砷化镓，使其工作频 率不断提高，目前最高频率已达3 0 0 g h z 。微波二极管具有体积小和可靠性高 等优点，用于微波振荡、放大、变频、开关、移相、调制和整流等方面。其中 肖特基二极管适于作整流二极管。 二极管的整流方式、反向击穿电压、二极管及后接整流电路的输入阻抗、 以及二极管的r f - d c 转换效率等，是整流二极管的主要性能和参数。这一章用 理论分析和软件仿真方法对整流二极管进行深入研究，并与实测值做比较。 2 1 整流电路及整流原理 整流，就是把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的二极管， 可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。首先从低频电路理论出发，认识 整流原理。按整流方式的不同，整流电路分为半波整流、全波整流、桥式整流 和倍压整流。其电路和波形图分别如图2 1 至图2 5 所示。其中桥式整流也是 全波整流，其波形图和全波整流的一样。 十 u c - + u 弱 5 r 手势 茹p 毖善 图2 - 1 半波接流电路图和波形图 上海大学硕学位论文 l d i u 1 e 2 a j r m o ) e z o r i +n ：墨簪p 甘 图：2 - 2 全波整流电路图和波形图 图2 - 3 桥式整流电路图 + u s c - ) 褊量正拳目对的导电茸i l l ( ”l b 为套事一砖- q 嚣电l i l l l 图2 _ 4 二倍压整流电路图 图2 - 5 n 倍压整流电路图 1 4 上海大学硕t 学位论文 二倍压整流电路如图2 - 4 所示。其工作原理是：在1 1 2 的正半周，d i 导通， d 2 截止，电容c l 被充电到接近u 2 的峰值醍。，极性如图中2 4 ( a ) 所标；在 地的负半周，d 1 截止，d 2 导通，这时电压u 2 与c l 所充电压极性一致，二者 串联，且通过d 2 向c 2 充电使c 2 上充电电压可接近2 【当负载风并接在 c 2 两端时( 风一般较大) ，则凰上的电压u l 也可接近2 c b 。以同样原理，我 们可以将其推广为n 倍压，图2 - 5 为n 倍压整流电路，整流原理相同。二极管 串联或并联起可以承载高电压或大电流。 不论半波整流或是全波整流，其整流后的电压均不是非常平稳的直流电压， 而是脉动直流电压。当接上电表测试时，对纯直流可以指示一个稳定值，但对 脉动直流而言，理论上指针应该是摇摆不定的，但由于频率在g h z 数量级，指 针反应速度没有那么快，所以指针也是停留在定值，该定值位置即为其波形的 平均值。设u 为正弦波的峰值电压，v 。为其有效值，因此有v d e = v a , - - - - 0 3 1 8 v p ， 、。= o 7 0 7 v p 。所以半波整流的输出电压与交流电压之有效值间关系如下： 屹= = 器_ o 4 5 ( 2 - 1 ) 全波整流电路，正负半周均有电流通过负载，所以其输出电压的平均值为半波 整流的两倍。即： 吃= 2 x0 4 5 v 。, = 0 9 v , w ( 2 2 ) 这种脉动电压不能直接供应大部分电子电路之应用，在整流电路之后，应 设法除去脉动直流电压的高频分量，因此需要在二极管后接直通滤波器。最简 单的滤波电路是电容器滤波电路，即将电容与输出电阻并联，起到通直流隔高 频的作用。若从时域分析，电容是一种储能元件，它被充电到峰值电压后，输 入电压下降时，电容器便开始对负载供电，下个脉波来时，电容器又被充电到 峰值电压，如此周而复始，使输出电压接近纯直流电压。这里值得注意的是， 电容器放电曲线斜率是依r c 值的大小而定的。r c 值俞大，其放电速度俞慢， 则输出电压俞平稳，增加电容容量可得到较佳的滤波效果。但电容的容量俞大， 上海大学硕士学位论文 会造成通过整流二极管的峰值电流也俞大，所以应该适当选择滤波电容容量， 以达到最好的整流滤波效果。 2 2 肖特基整流二极管的理论分析 这里我们分析并联二极管半波整流电路的整流特性。图2 - 6 是肖特基二极 管的一般等效电路，其中c p 、b 是二极管的封装等效电容和电感，为二极管 的寄生串联电阻，c j 、i l j 分别为二极管的结电容和结电阻，c j 、玛是二极管的 非线性所在，它们随着输入功率电平的变化而非线性地变化。 两 图2 - 6 整流二极管常用等效电路 图2 - 7 整流二极管简化等效电路图 为了分析方便，先不考虑封装特性，即将二极管的c p 、b 排除在分析之外， 简化后的分析电路图如图2 7 所示。这里假设：a c 两端的电压只包括直流和基 频分量；当二极管导通时，流过c i 的电流被忽略，二极管结电压保持恒定值。 以上各假设非常合理，首先，比起直流和基频分量，高次模分量相对很小，而 且在整流天线中，输入低通滤波器将高次模分量滤除了；其次，当二极管导通 时，二极管两端的结电压v d 变化很小，因此结电容上也几乎没有电流流过。 这里我们定义a c 两端的电压即输入二极管的电压为矿，b c 两端的电压即 二极管结电压n ，其表达式如下： 矿= 一+ 巧c o s 似) ( 2 3 ) 1 6 虼：酬萨力：曩搿 q 柳 其中，是负载r l 直流电压，k 是输入二极管的基频峰值电压。、分 别是二极管结电压的直流和基频峰值电压，为二极管导通电压。如图2 - 7 所 矿：丝坐：生 ( 2 5 ) 2 岢苛 ” ，t 儿 其中一d c 是矿。的平均值，与二极管截止时结电压的直流分量。不同。因此 有 一 哲唧二霉箨箩妇如1 ；以玺+ ( 垒一1 1 - 粤s i n 气 p i i 0 1 j 、，h v h 、之 k i 左i v 弋 j 一 ，i 一一 v 。 v “ ，j v 一 一 一 、。 - 、 图2 8 二极管i - v 曲线与输入二极管电压的对应时域波形 式中，口；耐一矿，气是二极管导通时的相位角度，如图2 所示，气可以由 ( 2 4 ) 得到。 1 7 上海大学硕士学位论文 毗= 訾 二极管截止时流过如的电流方程为： ! 虹：垒! ：生量 d t e 其中结电容c j 可以表示为： c j = c j + c ic o s ( 耐一妒) + c 2e o s ( 2 w t 一2 ) + 将( 2 9 ) 代入( 2 8 ) 并去除二次以上谐波分量整理后得到： o j r , ( c l 。一c 0 + c 2 ) s i n 缸一妒) = 圪。一+ 以c o s # 一) e o s ( 研一) 一巧s i n 矿s i l l g 带一声) 以上方程如要成立，则有如下等式关系： o = ks i n # - - ( o r , ( c o 1 一c l 。+ g e d l ) 可以从以上等式( 2 i i ) 中得到相位时延为： ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - l o ) ( 2 - 1 l a ) 佗- 1 l b ) ( 2 - 1 i c ) ( 2 - 1 2 ) 由( 2 5 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) 和( 2 1 l a ) ，可以求出随输入功率变化的动态变量氏： 协口 = 意 当求出气后，整流二极管的效率为： 其中= 罢，= l o s s 砒+ o s s o , , 触+ 三o s s 批+ l o s s 础； ( 2 - 1 4 ) 上海丈学硕十学位论文 三o s s 圹去立学口 = 掣b ( + 蕊旨 一伽钆一剐 工o s s o 。= 去岛挚口 ：学( t a n 0 , 一屯) ( 2 - 1 5 b ) 麒 o s s 姒= 去e 吨学口 = t r s c ；o ) 2