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一种用于5.2GHz和5.8GHz无线能量传输的紧凑型可重构整流天线

摘要：目前已经提出了一种紧凑的可重构整流天线，用于5.2GHz和5.8GHz的微波功率传输。这种整流天线由可重构微带天线和频率可重构整流电路组成。这里，奇对称模式的使用已经将天线尺寸明显地削减了一半。通过控制安装在天线和整流电路中的开关，整流器能够在5.2和5.8 GHz之间切换操作。当天线输入功率为16.5 dBm时，分别在5.2 GHz和5.8 GHz工作频率下可实现70.5％和69.4％的模拟转换效率。已经进行相关实验来验证该设计理念。 由于实际二极管的制造公差和参数偏差，整流天线的谐振频率测量为4.9和5.9 GHz。当输入功率为16和15 dBm时，所提出的直流天线的最大转换效率分别为4.9和5.9 GHz，分别为65.2％和64.8％，高于当前的相应产品。

关键词：紧凑型微波功率传输（MPT），可重构整流天线。

1. 介绍

不需要物理线路连接的无线电力传输（WPT）非常有吸引力。无线电源可以通过不同的方法实现，如近场感应耦合，磁共振耦合和微波功率传输（MPT）[1] - [3]。可以在长距离上传输射频（RF）功率的MPT在WPT中发挥重要作用.Rectenna将接收到的RF功率转换为直流电源，是MPT的关键组件。随着MPT技术的发展，不同频率，特别是2.45和/或5.8GHz工作的各种直角电路由于其在大气中的低传输损失而被开发出来。由于WPT可以使用多个频带，所以可以在多个频带中工作的整流天线总是令人感兴趣的。在[4] - [6]中设计了一些双频直角，以便在两个频率下同时获得良好的效率。然而，双频直角通常尺寸较大，需要复杂的阻抗调谐电路。对于单个微波电路，同时在两个频率下实现良好的阻抗匹配仍然相对困难。

各种开关技术，如软开关技术[7]和可重构技术[8] [9]已被应用于设计无数高性能组件。其中，频率可重构天线已经收到由于其可能在多频带系统中的应用而受到特别关注。大多数频率可重构天线通过使用诸如PIN二极管，MEMS和变容二极管之类的各种RF开关来改变辐射元件的电长度来调整它们的工作频率。最近，还报告了几个可重构的直肠[8]，[9]。在[8]中，提出了一种基于天线的频率检测装置。接收天线是频率可重构的微带天线，其工作在连续的频带内。然而，其整流器是普通的，导致较低的转换效率一些频率。在[9]中，设计了一种可重构整流电路，扩大了输入功率范围，整流电路的结构有些复杂。

在本文中，提出了一种紧凑的可重构整流天线，其将可重构微带天线与可重构整流电路集成，用于双频段应用。该整流天线可配置为接收5.2 GHz（WLAN）的RF功率或 5.8 GHz（ISM），并将其转换为直流电源。对于两个频率通带，都能实现良好的阻抗匹配。 在5.2和5.8 GHz的工作频率下，相应的转换效率模拟为70.5％和69.4％。所提出的直流天线不仅在两个工作通频带上提供了良好的转换效率，而且还具有方便调谐，简单的其他优点 结构和不同操作模式之间的最小干扰。

1. 设计和配置

本文提出了由可重新配置的接收天线和可重构整流电路组成的可重构整流天线。在这种情况下，天线和整流电路通过短路的50Omega;微带线连接。该符号非常简单，因为所有组件都可以集成在R04003C基板的顶表面上，其下面具有公共接地层。接下来，将进一步阐述接收天线和整流电路的设计步骤。

Fig. 1. 可重构接收天线的配置。 S = 1.85 mm,

L1 = 39.2 mm, W 1 = 0.1 mm, H 1 = 2 mm, L2 = 17.2 mm, W 2 = 13.35 mm,

L3 = 6 mm, W 3 = 3.4 mm, and h1 = 0.803 mm.

Fig. 2.可重构接收天线的辐射图

(a) Switch ON. (b) Switch OFF.

1. 可重构接收天线的设计

频率可重构天线由直角金属贴片谐振器和两个金属带组成，所有这些金属条都是由接地的R04003C基板制成，厚度为h1（εr= 3.38），由微带馈线馈入，如图1所示。图1（a）。金属贴片通过两个PIN二极管（BAP51-02）连接到金属条带[10]。为了理解由二极管开关构成的开关的寄生效应，已经从数据表中提取了PIN二极管的等效模型[11]。在ON状态下，PIN二极管等效于一个电阻（R = 1.5Omega;）；而在OFF状态下，它同样可以由电容器（C = 0.4pF）表示。通过控制天线上的开关（ON / OFF状态），可以容易地改变贴片的电长度和电流分布。此外，参照图1。如图1（b）所示，图中虚线框所示的补丁的一半。1（a）可以由于奇怪的符号而被去除，达到50％的大小。很好，在这种情况下只需要一个二极管。可以通过适当地设计贴片尺寸和条带长度，使半尺寸谐振器在任何工作频率下工作。

使用商业软件HFSS分析所提出的天线。图2显示了辐射图。在5.2和5.8 GHz的工作频率下，接收天线的输入阻抗分别为（48.659 - j0.69）Omega;和（42.033 j0.87Omega;，相应的最大增益分别为4.33和6.64 dBi。应该提到的是，所提出的天线的辐射图可以在两个频率上保持近似恒定。接收天线的模拟和测量反射系数（| S1 1 |）显示在图1中。在5.2和5.8 GHz处，模拟结果分别为-18.4和-15.74 dB，与-15.6 dB（4.9 GHz）和-11.7 dB（5.9 GHz）的测量值相当吻合。发现接通二极管使得可重新配置的天线能够在较低通带中工作，同时将其关闭使得上通带成为可用。模拟和测量结果之间的差异可归因于二极管开关的实验误差和设计公差。

谐振频率的变化可以部分地由衬底介电常数的变化引起，其可以稍微高于模拟中使用的频率的降低。此外，如BAP51-02 PIN二极管的数据表中所提到的等离子电路的寄生效应可以在两个开关状态的小范围内变化。为了进一步了解，通过仿真研究了反射系数的灵敏度，如图1所示。在ON状态下，R的波动不会很大地改变谐振频率，如图4所示，当C值在OFF状态下从0.4变化到0.2pF时，天线的谐振频率向上移动，但其阻抗匹配变差。发现改变负载电阻器可能会导致两种模式下谐振的变化。如图所示。如图5所示，当馈电探针的负载电阻（r）从100增加到150Omega;时，谐振频率在接通状态下降低，而在断开状态下更高。所有上述因素都可能引起模拟和测量之间的差异。

B.可重构整流电路设计

频率可重构整流电路由预置电容器，整流器，扇形输出滤波器和匹配电路组成，其还包括可重新配置的匹配短截线。 整流电路印刷在与上述天线相同的基板的相同表面上。使用100-pF预置电容器来抑制高次谐波并保护接收天线免受反向电流的影响。 对于这种设计，选择并联高频肖特基二极管HSMS 2860来构造整流器，因为它倾向于具有简单的结构[9]。 从数据表中，HSMS2860的门限电压电平为350 mV，内部电阻为6Omega;，击穿电压为7 V.此外，它可以工作在6 GHz以上[12]。一个扇形短截线已经取代旁路电容，因此不需要通孔。使用预电容器，可以使用扇形短截线来平滑输出电压，并抑制谐波。

Fig. 3. S可重构接收天线的参数。(a) Switch ON. Fig. 4. 本文提出的天线的S参数在两种状态下具有不同的开关等效

(b) Switch OFF. 参数。 (a) Switch ON. (b) Switch OFF.

匹配电路是提高天线效率的关键因素。 我们知道，电路的输入阻抗随着工作频率而变化。由于其窄频率特性，传统的整流电路在两个不同频率下实现良好的阻抗匹配是非常困难的。对于所提出的整流天线，已经部署了可重构技术，以实现整流电路中的双频阻抗匹配。 匹配电路使用PIN二极管开关（BAP51-02）连接到L形短截线。使用L形短柱可以减小长度，这对于使天线的占地面积小型化是有利的。通过控制开关，可以方便地将L形短截线与匹配电路连接/断开。 当L型短截线连接（开关导通）时，整流电路在5.2 GHz下实现良好的阻抗匹配。当断开连接（开关关闭）时，可实现5.8 GHz的良好匹配。因此，L形短截线是一个独立的调谐组件，用于良好的阻抗匹配。整流电路的输入阻抗分别为（50.944 j6.667）Omega;和（42.354 j8.041）Omega;，分别为5.2 GHz和5.8 GHz。还观察到，可重构技术使得两个通带中的阻抗匹配彼此无关。该功能非常有吸引力，因为它使电路容易被调整为两种模式。

Fig. 6. 紧凑型可重构天线的配置。

Fig. 8. 模拟和测量天线效率

C. 天线的模式

可重构整流天线的结构如图1所示。 它由可重新配置的接收天线和可重构整流电路组成。 提供1 V的直接偏置电压用于控制开关。当偏置电压设置为0V时，二极管关闭。 在天线的偏置电路中，使用1pF的电容器来阻断直流电力。高阻抗lambda;g/ 4线路被部署为用于防止RF功率泄漏的阻塞线圈。 此外，从图1所示的整流电路的偏置电路可以看出， 如图7所示，使用100pF的电容器来防止DC电力干扰整流电路中的RF功率。22 nH的电感也用于传输直 流电源但拒绝RF功率。因此，DC和RF功率之间的相互干扰显着地最小化。

通过同时控制接收天线和整流电路中的PIN二极管开关（BAP51-02），可以将整流天线配置为工作在两种不同的模式，即L_mode和H_mode。 当两个开关都接通时，天线的电气长度变长，L形短截线插入整流电路，使整流器工作在较低的频率（5.2 GHz），称为L_mode。 当两个开关同时关断时，整流器工作在5.8 GHz的较高频率，称为H_mode。

3、模拟和测量

可重构的天线是使用HFSS和ADS软件进行共模拟的。 转换效率可由下式计算

其中RL是负载电阻，V_dc是负载上的输出直流电压，Pin是输入功率。当输入功率为16.5 dBm时,仿真转换效率分别在5.2和5.8 GHz的工作频率下高达70.5％和69.4％，如图8所示。

所提出的整流天线如图9所示。测量验证设计理念。 在测量中，使用标准增益喇叭天线发射功率。 喇叭天线和天线的距离为1米。负载电阻（RL）取为100Omega;，使用万用表测量输出直流电压。测量和模拟的天线效率如图1所示。 由于天线谐振频率的变化，在4.9和5.9 GHz下，最大转换效率分别为65.2％和64.8％，输入功率分别为16和15 dBm。

表I

不同转换效率的比较

紧缩的接收

如图8所示，可以看出，测量的效率低于模拟效率。此外，所有的模拟和测量效率随着输入功率的增加而增加，并以特定输入功率达到其峰值，然后随着输入功率的进一步增加而减小。在测量中，效率峰值出现在另一个输入功率，这比模拟中略低。模拟和测量结果之间的差异可能由以下因素引起。首先，这种差异可以由实际二极管的寄生效应的变化引起，这在仿真中没有被充分考虑。显然，寄生参数的影响随着频率的增加而增加。观察到在5.9GHz下的测量效率比4.9GHz的速度更快。其次，由于实际开关损耗，测量效率低于任何输入功率下的模拟效率。第三，当输入功率不够高时，实际的整流二极管可能无法在有效工作模式下工作，导致效率降低。尽管轻微的分歧，测量结果已经验证了可重构直角天线的性能。

在表I中，将所提出的可重构天线的效率性能与一些已发表的双频直角天线的效率性能进行比较。随着这项工作中提出的可重构技术的部署，显然，提出的整流天线能够在两个不同频率下实

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