微波输能中一款S波段整流天线阵列研究

微波无线能量传输是空间无线能量传输的一种途径,微波整流天线阵列作为微波无线能量传输系统的重要组成部分,得到了迅速发展和研究。文章在2.45GHz频段分别设计了微带偶极子接收天线和高效微带整流电路,并组成50cm×50cm的微波整流天线阵列。阵列由72个整流天线单元组成,每个整流天线单元包括一个偶极子天线和一个整流电路。实验测试得到37.1%的整体传输效率。     

一种小型化的大功率微波整流电路

为了满足微波输能系统的大功率整流要求，本文基于多支路共用匹配阻抗的方法设计了一种微带线结构的大功率微波整流电路。首先采用微带线结构的功分器将输入的大功率微波能量分为较小功率的微波能量，然后在功分器的每一条支路上利用肖特基二极管阵列将微波能量转换为直流能量，且所有的支路共用阻抗匹配电路。最后将所有支路的直流能量合并输出，实现大功率微波整流。实验结果表明，当输入功率大于34 dBm时，实测直流输出功率大于1w；在输入功率为39.28 dBm时，整流电路的最高实测效率为44.27%；在输入功率为41.42 dBm时，整流电路的最高实测直流输出功率达到了5.84w。该微波整流电路工作于2.45GHz，尺寸为40mm×80mm，具有尺寸小、整流后直流输出功率大，易于集成的特点，可为易于集成的大功率微波整流电路提供设计指导。     

一种大功率圆极化交叉对称阵子天线

为了满足大功率反射面天线的馈源设计要求,文章设计了一种大功率圆极化交叉对称阵子天线,其工作频率在1.19GHz~1.285GHz,天线整体由交叉对称阵子和开槽线巴伦组成。通过开槽线巴伦实现平衡-非平衡馈电。为了实现圆极化,通过改变对称阵子结构,在对称阵子臂相邻90°处增添一对阵子臂,形成交叉对称阵子,并通过调整阵子臂的长度,使其实现90°自相移结构,并最终实现圆极化,由于天线整体均为金属,使得天线可以承受更高的功率。该天线在119GHz~1285GHz频带内电压驻波比(votage standing wave ratio,VSWR)<1.5,圆极化轴比<3dB,实测结果表明,实测和仿真结果基本一致,天线在该频段内实现了较好的圆极化特性。     

滤波天线技术在微波能量传输中的应用研究

微波无线能量传输摆脱了传统能量传输的电缆限制，可以满足多个领域的应用需求，整流天线是完成微波-直流能量转换的重要装置。目前常规整流天线中存在的滤波器、阻抗匹配网络等损耗及常规微带天线的窄带特性，使得其效率及带宽等特性存在可提升的空间。文章在回顾滤波天线及整流天线的发展现状的基础上，提出将滤波天线的概念与整流电路相结合，开展滤波整流天线技术研究。将天线单元作为滤波器电路理论中的谐振单元开展滤波整流天线建模和分析理论研究，设计具有辐射、滤波、复数阻抗匹配等功能的天线及阵列结构，有望突破整流天线高效集成的技术难点，为微波无线能量传输效率提升提供技术基础。     

一种微波输能的高效二极管阵列整流电路设计与分析

微波无线能量传输是实现远距离无线传能的主要方式之一，也是空间太阳能电站系统的核心技术之一。微波整流电路是实现微波到直流转换的关键环节，为实现大功率、远距离微波无线能量传输，文章设计了一种频率为2.45GHz的二极管阵列整流电路，能在大功率下完成高效整流，且对负载变化的敏感度低。测试表明：在27dBm输入功率、150Ω负载下，MW DC转换效率最大达71.83%；输入功率为23~32dBm时的转换率高于65%；即使输入功率低至17dBm的转换率仍高于50%。因此，论文所提整流电路的输入功率动态范围大，最高可达32dbm，且转换效率高，可用于微波无线能量传输中。     

用于物联网中无线能量传输的电小尺寸惠更斯整流天线

随着下一代无线通信系统（5G）的快速发展，无线物联网（Internet of Things, IoT）技术将得以广泛应用，万物互联在不久的将来成为可能。由于无线物联网设备数量的飞速增长，无线能量传输将会成为未来物联网设备的主要供电形式，取代基于传统电池的现有物联网设备供电技术。然而，如何设计结构紧凑且高效率的无线能量传输整流天线具有很大挑战。基于该背景，本文将介绍三款用于无线物联网中的电小尺寸的惠更斯整流天线。其基本设计思路是将电小惠更斯天线与高效率整流电路有机结合。首先，介绍一款线极化的电小惠更斯整流天线。该惠更斯天线将两个由超材料启发的埃及斧天线与电容耦合环天线组合，产生定向的心形辐射方向图，并与一个高效率的整流电路无缝结合。其次，介绍一款圆极化的电小尺寸惠更斯整流天线。该整流天线可以有效消除在特定应用场景中的极化失配的问题。最后，介绍一种双功能的同时具有通信与无线能量传输的电小尺寸惠更斯系统。本文所设计天线具有结构紧凑，高效率，易加工的特点，十分适合广泛用在未来无线物联网系统中。     

一种面向导航应用的电容耦合四点馈电的宽带双层微带天线

文章设计了一种电容耦合四点馈电的宽带双层微带天线,该天线可以工作在北斗、GPS、GALILEO和GLONASS四大导航卫星工作频段,可以用作导航系统地面终端天线.天线单元采用电容耦合四点馈电的双层空气微带圆极化天线形式,在双点谐振特性的双层空气微带天线基础上,结合电容耦合馈电技术构成三点谐振特性,进一步展宽天线带宽.为了实现低剖面、小型化、微带形式的宽带馈电网络采用双层结构集成设计,由Wilkinson功分器和宽带Schiffman移相器实现相应的幅相配置.对提出的天线进行了仿真设计和优化,仿真设计结果表明,在四大卫星导航卫星系统1.1 GHz～1.6GHz工作频段内,天线电压驻波比小于1.4,增益方向图和圆极化轴比特性都满足设计要求,该天线可以很好地应用于地面多模用户终端.     

高功率中距离2.45GHz微波输能系统

微波输能技术是空间太阳能电站、空间飞行器供能和无线传感网络领域的关键技术。本文设计了一套工作于2.45 GHz的高功率中距离微波输能系统，主要包括微波功率发生器、整流天线和收发天线。其中，微波功率发生器最大输出功率为53.272 dBm（212 W）时，末级放大器的漏极效率可达57.612%；当输入功率为30 dBm，负载为260 Ω时，整流电路整流效率达到75%；采用简单的抛物面天线，传输距离为8m的情况下，波束捕获效率能够保持在45%以上。实测200W时微波发生器效率为49.3%，整流电路效率为63%，在波束捕获效率为45%时，理论计算的该系统直流到直流传输效率可以达到14%。     

Ka频段双极化低剖面卫通相控阵天线

当前国内外低轨通信互联网星座发展迅猛，面向卫通天线跨星跨波束快速切换、低剖面应用需求，提出了一种Ka频段层叠式缝隙耦合双圆极化发射相控阵天线。基于多层PCB叠层瓦式架构，将天线层、电源与控制层、功分网络层和芯片层一体化集成。基于“双线极化天线+移相控制”设计实现左右旋圆极化及其极化切换，采用子阵相位旋转排布实现天线整阵二次圆极化。测试结果表明：天线工作频段为27.5~31GHz，29.2GHz处法向等效各向同性辐射功率值为16.5dBW，可实现±60°扫描，法向轴比＜2dB，左右旋圆极化可切换，天线子阵厚度3mm。相比传统砖式相控阵天线，大幅降低了剖面和重量，对卫通天线低剖面、波束快速切换等具有重要应用意义。     

毫米波高频段无线能量传输技术发展及其空间应用研究初步设想

随着我国航天事业的发展,空间任务也越来越复杂,能源供给是航天器面临的首要共性问题,航天器间的无线能量传输也显得愈发重要。由于航天器在体积重量和功耗上的限制,为了保证有效的无线能量传输,需要采用毫米波高频段,同时还要解决如何在有限的发射功率和发射天线口径情况下提高接收功率等技术难题。在回顾毫米波高频段无线能量传输技术发展的基础上,提出探索基于慢衰减电磁波产生和准无衍射波束形成的远距离时空聚焦微波能量传输理论与方法,并开展毫米波高频段整流器件建模研究和高效整流天线集成设计工作,建立航天器间毫米波无线能量传输缩比简化原理验证系统的研究设想,有望为航天器间无线能量传输效率提升提供技术基础和技术途径,也将推动无线能量传输在无人机无线输能、地面特殊场合供电等远距离无线输能应用系统的发展。     

一种新的双频圆极化器的设计

极化器是天线馈电系统中的重要部件。文章设计了一种新的双频（ C频段,5.15~5.25 GHz,6.7~7.075 GHz）四脊波纹方波导圆极化器,该圆极化器的端口驻波小于1.14,工作带宽内轴比小于0.42 dB。     

超宽带矩形微同轴平面对数周期天线

在宽带电子系统轻量化的需求下，基于MEMS矩形微同轴技术设计了10 GHz~50 GHz的超宽带平面对数周期天线。天线采用三节矩形微同轴阻抗变换实现160 Ω到50 Ω的宽频带阻抗匹配，并通过矩形微同轴转共面波导进行馈电。为展现微同轴的馈电优势，验证设计的微同轴平面对数周期天线性能，制备了50 Ω矩形微同轴传输线和天线实物并进行了测试。实测结果表明，在10 GHz~50 GHz频段内，矩形微同轴传输线传输损耗＜0.22 dB/cm，两根间隔0.15 mm的矩形微同轴传输线间隔离度＞60 dB。天线实测反射系数＜-8 dB，增益＞4 dBi，增益波动＜1.6 dB。     

天线整流器协同设计的高灵敏度射频能量采集单元研究

面向物联网自供电传感节点的能量灵敏度受限于能量采集单元的灵敏度，本文基于天线 整流器协同设计方法，实现了一种面向无线传感及通信节点的高灵敏度，射频能量采集天线-能量采集芯片构成的单元，并进行了系统验证。整流电路采用TSMC 180nm CMOS RF工艺流片，定制弯折偶极子天线，两者适当的Q值下实现阻抗匹配，通过芯片整流电路和Q值的协同提升能量采集灵敏度。联合测试结果表明，在50MΩ等效电阻负载和电压为0.8V的情况下，量采集单元的最高灵敏度可达到-27.9dBm，结合和能量管理电路和储能器件，在36dBm发射功率下，自由空间下的无源通信距离可达40.55m。     

螺旋天线大功率耐受通用设计方法

螺旋天线重量轻,圆极化性能好,在卫星上得到了广泛的应用,尤其是近年,随着多波束天线的发展,螺旋天线做为馈源阵中的阵元天线受到了广泛关注。多波束天线的特点是可以动态分配功率到每个阵元,以期得到预想的波束。在功率集中模式下,某个阵元可能传输较大的功率,如果阵元使用螺旋天线,必须对其大功率耐受特性进行分析研究,保证其能在大功率下正常工作。文章通过理论推导,指出了影响螺旋天线大功率耐受特性的因素,并根据试验结果与仿真相结合的方法,给出了螺旋天线抗大功率耐受设计的方法,设计的螺旋天线通过了大功率试验考核。     

一种新型宽带高增益多模导航天线设计

为了适应多模导航卫星系统的发展，文章设计了一种新型宽带高增益导航天线，能够覆盖北斗B1/B3、GPS L1/L2频段。天线采用折叠电磁偶极子的形式，具有较宽的阻抗匹配带宽。为提高圆极化辐射特性，采用四馈点形式，等幅度、相差90°馈电；端口直接激励到交叉十字形馈电结构，进而耦合到折叠偶极子，辐射圆极化电磁波。天线周围加入调试腔体，可对方向图辐射特性进行调整，且具有宽带高增益的特性。方向图在北斗B1/B3、GPS L1/L2频段内具有良好的一致性。在三维电磁仿真软件ANSYS HFSS中，建立天线的三维仿真模型，并进行仿真计算，在工作频段内，电压驻波比VSWR≤1.5，主辐射方向上交叉极化比不小于40dB，具有良好的圆极化纯度。在整个工作频段内，天线具有低后瓣特性，前后比不小于40dB，且右旋圆极化增益在主辐射方向图±60°范围内，不小于0dB，在多模卫星系统上具有较高的应用价值。     

一种多极化天线的设计

为了增强信道容量和提高极化信息利用能力，文章设计了一种多极化天线。首先，基于口径耦合馈电技术，优化设计了一种改进的H形线极化缝隙耦合天线；其次，在馈电层设计了单馈线和3dB分支线耦合器作为多极化天线的馈电电路；最后，通过不断优化设计，构建了多层缝隙耦合多极化天线，天线的线极化激励端口采用单馈线形式，左旋/右旋圆极化特性由3dB分支线耦合器来实现。对设计的多极化天线进行了制作和测试，测试结果表明，整个多极化天线的阻抗带宽为12.8%，线极化与圆极化端口之间的隔离度大于15.8dB，圆极化端口之间的隔离度在大部分频段内大于15dB，匹配和辐射特性良好。天线具备线极化、左旋圆极化和右旋圆极化3个极化特征，在雷达和通信领域具有一定的应用前景。     

用于多模卫星导航信号接收的半球形阿基米德螺旋天线

平面阿基米德螺旋天线具有双向辐射特性,在实现单向辐射时会降低效率 。将平面阿基米德螺旋天线共形到局部半球上可以得到一种新型结构的半球形阿基米德 螺旋天线,分析了这种天线的结构特点,进行了仿真与实验,研究结果表明,在覆盖多模卫 星导航信号工作频率的1.1-1.7 GHz频段内,反射损耗小于-10 dB,增益大于3.9 dB,前后 比大于3.6 dB,相位中心稳定度小于2 mm,可满足宽频带圆极化多模卫星导航共用接收天线 的设计要求。
     

基于圆极化漏波阵的罗特曼透镜多波束天线设计

文章提出了一种具有无源波束扫描能力的平面圆极化多波束天线。该天线由基于基片集成波导(substrate integrated waveguide, SIW)的漏波天线阵列和罗特曼透镜馈源网络组成。其中漏波天线作为天线辐射体，通过在SIW传输线上加载90°顺序旋转的非谐振辐射缝隙，实现了圆极化的辐射特性。为了实现低成本的波束扫描能力，使用罗特曼透镜作为天线的馈电网络。该天线设计采用双层结构，通用将漏波天线阵列置于罗特曼透镜上层，实现了天线的小型化。经仿真验证，该天线可在9.5GHz~10.5GHz的工作频带范围内，实现良好的阻抗匹配及±44°的圆极化波束扫描能力，并且每个波束均可在3dB波束宽度内实现小于3dB的轴比。     

一种基于氧化锆陶瓷的宽带圆极化双环天线

随着射频系统工作频率的不断提高,介质天线因不受导体损耗影响而备受关注。基于高介电常数介质波导在其高次模截止区的漏波辐射以及陶瓷三维打印技术,提出了一种宽带圆极化双环介质天线。相比于同样是工作于行波模式的金属宽带圆极化环天线,该介质天线的漏波辐射更易产生。探究了介质波导的辐射机理,并详细展示了该介质天线的设计过程：先将漏波辐射的直介质波导弯曲成单环以实现圆极化,再把单环结构拓展为双环,从而展宽天线的工作带宽。通过对比单环与双环介质天线可以发现,双环结构的轴比带宽大约是单环的3倍,且两天线在工作频段内均具有良好的右旋圆极化特性。为了验证该天线设计的有效性,利用陶瓷光固化工艺（一种三维打印技术）制作了天线实物,其实测轴比带宽为3.94~5.1GHz,最大增益为8.6dBic。     

一种S频段小型自跟踪馈源设计

为了使2 m小口径环焦天线具有S频段自跟踪功能,设计了一种小型化紧凑型馈源网络.该馈源和通道由4波束经电桥网络形成左右旋圆极化和信号,差通道由8波束经电桥网络形成左右旋圆极化差信号,和差信号共同工作实现馈源的自跟踪功能.实测结果表明,在2.2 GHz～2.4 GHz频率范围内,和通道回波损耗S11≤-23.32 dB,端口隔离≤-17.71 dB,和差隔离≤-46.03 dB,轴比≤0.65 dB,实测结果满足设计指标要求.整个小型化馈源网络横向尺寸≤250 mm,纵向尺寸≤420 mm,在小口径面天线中有效替代传统S频段圆波导TE21模自跟踪馈源,避免其尺寸大引起信号质量差的问题.