摘要微波輸能（MPT）技術(shù)通過微波波束在兩點之間進行能量的無線傳輸，可用于太陽能衛(wèi)星、近空間飛行器、無線傳感器等。整流天線將微波能量捕獲并轉(zhuǎn)換為直流，是MPT系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。首先，從拓展工作頻帶、輸入功率范圍和負(fù)載范圍等方面對整流天線最新研究進展進行概述，然后分析了其核心器件整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及相應(yīng)適用場合，對有效設(shè)計整流天線的步驟進行綜合，最后分析了整流天線技術(shù)存在的問題，并指出了MPT技術(shù)未來的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞整流天線；整流電路；整流效率；天線；微波輸能

中圖分類號TN011

文獻標(biāo)志碼A

收稿日期20161123

資助項目國家自然科學(xué)基金（61271062）

作者簡介楊雪霞，女，博士，教授，主要研究方向為天線理論與技術(shù)、微波輸能技術(shù)及計算電磁場。 yang.xx@shu.edu.cn

1上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，上海，200072

0 引言

微波輸能（Microwave Power Transmission，MPT）概念由尼古拉·特斯拉在1891年提出。20世紀(jì)60年代，由于大功率微波源的逐漸成熟和微波整流二極管性能的提高，使得MPT系統(tǒng)中發(fā)射源和接收整流天線效率得以保證，美國開始MPT技術(shù)研究。雷聲公司Spencer實驗室在1964年完成了微波驅(qū)動直升飛機的實驗[1]，1974年，噴氣推進實驗室（JPL）在1.72 m的距離獲得54%的“直流直流”系統(tǒng)效率[2]，但是在1.54 km的遠距離，系統(tǒng)效率只有6.7%[3]，直至目前，公開報道的遠距離輸能系統(tǒng)效率基本在這一數(shù)量級。80年代以后，加拿大、日本等國面向近空間通信作業(yè)平臺和太陽能衛(wèi)星應(yīng)用相繼展開了MPT技術(shù)研究[4]，2010年以來，環(huán)境電磁能量回收引起了各界關(guān)注[5]。整流天線及陣列是MPT系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

整流天線由接收天線和整流電路組成，如圖1所示。微波整流二極管工作于大信號非線性狀態(tài)，產(chǎn)生的高次諧波可能會被天線輻射，造成能量的損失，諧波是影響整流效率的主要因素之一；微波整流二極管輸入阻抗與輸入功率和工作頻率相關(guān)，二極管輸入阻抗的匹配是影響效率的另一主要因素。因此，在二極管輸入端設(shè)計低通/帶通濾波器/阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)天線和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)，某些情況下可以省去輸入端濾波器.輸出端接直通濾波器，不僅將基波反射回二極管再次整流，而且濾除基波和高次諧波，使得輸出直流更為穩(wěn)定。RL是直流收集負(fù)載。

整流電路的核心指標(biāo)是“微波直流”（MicrowaveDirect Current，MWDC）轉(zhuǎn)換效率，它與輸入的微波功率、工作頻率和所接負(fù)載有關(guān)。整流電路一般采用反應(yīng)迅速、導(dǎo)通電壓低的肖特基二極管，在普通微波波段，整流天線（電路）在固定工作頻率、輸入功率和優(yōu)化負(fù)載上，MWDC效率可以達到80%以上[6]。為了擴展整流天線功能和適應(yīng)性，

學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，9（1）：1524Journal of Nanjing University of Information Science and Technology（Natural Science Edition），2017，9（1）：1524

楊雪霞.整流天線研究進展及設(shè)計方法概述.

YANG Xuexia.

Research development of rectennas and outline of design methods.

一些學(xué)者研究了雙/多/寬頻整流天線、寬輸入功率動態(tài)范圍整流天線、負(fù)載無關(guān)整流天線等。毫米波輸能系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點，但是普通微波波段整流電路的設(shè)計方法在毫米波基本不能使用。本文對拓展整流天線性能和毫米波整流天線研究進展進行概述，分析整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其相應(yīng)適用場合，對整流天線設(shè)計方法進行綜合，最后指出MPT技術(shù)未來的研究方向。

1 整流天線研究進展

接收天線的作用是保證電路接收到足夠的微波能量.如果天線具有諧波抑制功能，則可以省去二極管輸入端的濾波器，這樣不僅使得整流天線結(jié)構(gòu)緊湊，而且免去了濾波器的插入損耗。整流電路MWDC效率與工作頻率、輸入功率和負(fù)載相關(guān)，整流天線的研究工作基本上從突破這一限制展開。

1.1 多/寬頻整流天線

利用微波傳輸線在不同頻率處具有不同電長度和特征性阻抗的性質(zhì)，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的幾何尺寸，可以實現(xiàn)多頻段內(nèi)的阻抗匹配。常用的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)有雙T型、多枝節(jié)型、十字型等。

美國Texas A&M 大學(xué)K.Chang教授課題組最早展開雙頻整流天線研究，于1998年提出雙頻半波振子整流天線[7]，在2.45/3.3 GHz頻點的整流效率分別為85%和1%。在第二個頻點的效率太低，其主要原因在于部分整流電路采用了集總元件，接收天線是對稱振子。2002年，他們將平面印刷技術(shù)（Printed Circuit Board，PCB）用于整個整流電路設(shè)計[8]，基于CPS傳輸線設(shè)計的整流電路與印刷偶極子直接集成，當(dāng)輸入功率為89 mW時，整流天線在2.45/5.8 GHz頻率上的最高效率分別為84.4%和82.7%。2007年，該課題組報道了一種小型化的用于RFID的2.45/5.8 GHz雙頻整流天線[9]，接收天線采用彎曲槽環(huán)式結(jié)構(gòu)，比一般的槽環(huán)式天線尺寸減少了52%，在整流電路輸入功率為200 mW時，整流效率分別為65%和46%。

此后其他研究機構(gòu)在雙/多頻整流天線和整流電路的研究主要集中在適用于低功率密度場合，即環(huán)境電磁能量收集方面，如降低二極管輸入功率[1012]，通過天線陣來提高接收能量[13]，包含3個及以上無線通信頻段等方面[1419]。圖2是上海大學(xué)設(shè)計的一種十字枝節(jié)微帶線型整流電路[11]，10 dBm輸入功率時，在1.8/2.2 GHz 頻率上MWDC測試轉(zhuǎn)換效率分別為50%和54%。采用集總元件代替微帶枝節(jié)構(gòu)成的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)同樣能實現(xiàn)雙頻工作[12]，其優(yōu)點是匹配網(wǎng)絡(luò)的尺寸大大減小，缺點是引入集總元件造成損耗增加，整流效率下降。圖3是新加坡國立大學(xué)設(shè)計的一副工作在1.8/2.15 GHz的雙頻整流天線[13]，接收天線采用1×4的寬帶八木天線陣以接收更多能量，整流電路雙頻工作用2個串聯(lián)的T型微帶枝節(jié)實現(xiàn)，當(dāng)輸入功率為-18 dBm時，整流天線在2個工作頻點效率均可達35%以上。CPS構(gòu)成的整流電路也能進行雙頻整流[20]。CPS傳輸線結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)無源和有源器件的跨接，避免過孔造成的寄生效應(yīng)。然而，CPS結(jié)構(gòu)很難在更多的頻段內(nèi)實現(xiàn)阻抗匹配，不易設(shè)計三頻以上的整流電路。

三頻以上整流電路一般用多支路方法實現(xiàn)，即每條支路對應(yīng)一個頻段[1416]。文獻[14]所設(shè)計的三頻倍壓式整流電路，在940 MHz 和1.950/2.44 GHz頻率上，整流效率分別為80%、47%和43%，其相應(yīng)的輸入功率分別為10、8和16 dBm。文獻[16]所提出的四頻倍壓式整流電路工作原理與之相似。疊加式整流支路造成電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，且元件增多會造成電路體積增大，損耗增加，這種方法比較適合于集成度高的CMOS工藝。利用復(fù)合左右手超材料，使電路在2個頻率分別表現(xiàn)出左手和右手特性，也可用于雙頻和三頻整流電路設(shè)計[17，21]。文獻[17]提出的基于符合左右手材料的三頻整流電路具有較大的帶寬，在0.5～1.0、1.5～2.0和2.3～3.6 GHz 3個頻段內(nèi)，當(dāng)輸入功率為27 dBm時，電路最高整流效率可達55%。

目前對寬頻整流天線研究報道很少，原因在于雖然天線的寬帶特性比較容易實現(xiàn)，但是有源整流電路的寬帶特性不易在一個電路中設(shè)計。2004年，美國科羅拉多州立大學(xué)的Joseph A.Hagerty介紹了一種寬頻低功率密度整流天線陣列[18]，接收天線單元為寬帶平面螺旋天線，整流天線直接由天線和二極管組成，沒有阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，所以效率很低，在2～18 GHz頻帶內(nèi)，整流效率在0.1%～20%范圍。2013年，西班牙Collado等[19]提出了一種太陽能和電磁能混合能量收集系統(tǒng)，設(shè)計了寬頻和雙頻2種整流天線。接收天線采用寬頻印刷單極子，可覆蓋800 MHz～6 GHz頻率范圍；整流電路采用單個二極管串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，利用寬頻階躍阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，在0.8～2.5 GHz頻帶范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換效率約為8%?？梢妼掝l整流天線效率都很低。

1.2 寬輸入功率動態(tài)范圍整流天線

具有寬輸入功率整流天線的關(guān)鍵是整流電路在一個寬輸入功率動態(tài)范圍內(nèi)具有基本相同的高效MWDC轉(zhuǎn)換效率。CMOS工藝可將多個電路元件集成在很小尺寸上，通過功率檢測器、邏輯比較器、單刀多擲開關(guān)等數(shù)字元件，能夠設(shè)計寬輸入功率動態(tài)范圍整流電路。CMOS寬輸入功率整流電路一般有3種形式：在多條整流支路的基礎(chǔ)上實現(xiàn)可重構(gòu)[2224]、采用智能穩(wěn)壓器[25]、雙整流單元的串并聯(lián)可重構(gòu)[2629]。

多支路可重構(gòu)整流電路即每條支路適用于一個輸入功率范圍，功率檢測器檢測出輸入的信號，邏輯比較器比較其大小，開關(guān)選擇合適的整流支路，以此拓寬輸入功率工作范圍。文獻[22]介紹的0.18 μm CMOS工藝制造的可重構(gòu)整流電路，工作在0.8～2.5 GHz頻段，整流電路由4條適用于不同輸入功率的整流支路組成，在-4～30 dBm的動態(tài)功率范圍內(nèi)，整流效率都高于50%。文獻[25]提出了一種低寬功率130 nm CMOS工藝整流電路，其智能穩(wěn)壓器類似于經(jīng)典的電流反射鏡結(jié)構(gòu)，使輸出電壓保持穩(wěn)定，不受輸入功率影響。電路工作頻率868 MHz，采用兩級Dickson電荷泵結(jié)構(gòu)，在-12～1 dBm的輸入功率范圍內(nèi)整流效率高于30%。雙整流單元的串并聯(lián)可重構(gòu)整流電路，2個整流單元串聯(lián)時適用于高輸入功率，并聯(lián)時適用于低輸入功率范圍，從而能拓寬輸入功率工作范圍。2014年，文獻[29]發(fā)表了一種工作在2.4 GHz的可重構(gòu)整流電路，串并轉(zhuǎn)換由2個控制信號決定，實驗測得整流電路在輸入功率為2.1和8.9 dBm處有2個效率峰值，分別為41%和47%。

目前，采用PCB工藝實現(xiàn)的寬輸入功率整流電路很少。2013年，Sun等[30]提出了一種自適應(yīng)可重構(gòu)的寬輸入功率PCB整流電路，采用2種不同型號的肖特基二極管分別適用于低和高輸入功率范圍，引入場效應(yīng)管（FET）作為自適應(yīng)開關(guān)，整流電路工作頻率為100 MHz，在-14～21 dBm的輸入功率范圍內(nèi)，功率轉(zhuǎn)換效率都高于50%。上海大學(xué)在輸入功率自適應(yīng)方面也做了相關(guān)研究[3133]。圖4是文獻[34]提出的涵蓋GSM900、CNSS、UMTS2100、WiFi和藍牙5個無線通信系統(tǒng)的四頻功率自適應(yīng)整流電路，效率峰值為57.0%，在-12～12 dBm的輸入功率范圍內(nèi)各頻段的整流效率均大于30%。

分析比較CMOS和PCB這2種工藝，可以發(fā)現(xiàn)采用CMOS工藝整流電路尺寸相對較小，寬輸入功率整流電路用多分枝結(jié)構(gòu)實現(xiàn)；PCB工藝制造的整流電路結(jié)構(gòu)簡單，通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)多頻工作，但尺寸相對較大。

1.3 負(fù)載無關(guān)整流天線

由于二極管的非線性，整流電路有一個最高效率的優(yōu)化負(fù)載值，偏離優(yōu)化值時整流效率會下降，這給實際應(yīng)用造成不便。為了拓寬整流電路的負(fù)載工作范圍，目前比較成熟的是采用DCDC變換器的方法。日本京都大學(xué)的課題組提出一種降壓升壓變換器結(jié)構(gòu)[3435]，其元件包括功率開關(guān)、電感、續(xù)流二極管和電容，開關(guān)受高、低頻2個脈沖控制。它工作在電流非連續(xù)導(dǎo)通模式，二極管輸入阻抗只與電感值和控制開關(guān)的脈沖有關(guān)，而與負(fù)載值無關(guān)，因而可以實現(xiàn)在寬負(fù)載范圍內(nèi)工作。實驗結(jié)果表明，當(dāng)負(fù)載為100～5 000 Ω時，整流電路的轉(zhuǎn)換效率幾乎穩(wěn)定在75%，與其最大功率點十分接近。

1.4 毫米波整流天線

相對于普通微波波段，毫米波整流天線具有體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點，在有限口徑條件下，波束窄、傳輸效率高，近年來成為MPT技術(shù)的一個重要的研究方向。早在1988年，Koert等[36]就基于高空微波平臺開發(fā)，設(shè)計了35 GHz整流天線，在100 mW/cm2的功率密度下整流效率計算值約為72%。1991年開始，Chang課題組展開毫米波整流天線研究[3741]，所設(shè)計的CPS型印刷偶極子和微帶線型貼片整流天線，當(dāng)輸入功率在50～120 mW范圍內(nèi)時，整流效率最高為39%。為了用于低功率密度場合，文獻[41]中接收天線采用二元陣，在輸入功率密度30 mW/cm2時，整流天線效率為35%。

文獻[42]設(shè)計了工作于35/94 GHz 2個大氣窗口的雙頻整流天線，整流二極管采用CMOS工藝加工制作，在CPW上跨接2個整流二極管，實現(xiàn)全波整流，在30 mW/cm2的功率密度下，2個頻率上的整流效率分別為53%和37%。為了能夠適應(yīng)低輸入功率場合的應(yīng)用，Wu教授等[43]于2015年設(shè)計了35 GHz倍壓型整流電路，在倍壓二極管整流后端再引入一個二極管D3，用以收集諧波能量，當(dāng)輸入功率為20 mW時，整流效率為34%。國內(nèi)東南大學(xué)洪偉教授研究團隊在國內(nèi)最先開展了Ka波段整流天線的研究[44]，用高串聯(lián)阻抗硅基肖特基二極管驗證了基于SIW技術(shù)的整流器的可行性，接收天線采用SIW饋電漸變槽天線，當(dāng)工作頻率為30 GHz，輸入功率為79.4 mW時，整流電路在240 Ω負(fù)載上得到27.4%的最高轉(zhuǎn)換效率。

相比于普通微波波段，目前毫米波段的整流天線測試整流效率較低。其原因主要在于傳統(tǒng)整流二極管分析理論公式和仿真軟件在毫米波段誤差很大，二極管輸入阻抗不能準(zhǔn)確確定，給匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計帶來很大困難。最近上海大學(xué)在35 GHz整流天線和陣列方面取得一些進展[4547]。文獻[45]利用等效電路模型理論分析了肖特基二極管在Ka波段的整流特性，設(shè)計并加工電路，如圖5所示，在20 dBm輸入功率時，整流電路效率57%，但是產(chǎn)生2.5 GHz的頻偏；然后提出實驗改進方案，且利用SIW技術(shù)實現(xiàn)毫米波段整流天線和陣列。圖6是文獻[47]設(shè)計的Vivaldi整流天線單元：當(dāng)功率為18 dBm時，整流效率為52.8%，且具有寬頻和寬波束的特點，當(dāng)接收天線輸入功率為10 dBm時，整流效率大于30%的絕對帶寬2 GHz，在-15°～15°的入射波范圍內(nèi)，最小輸出電壓均在最大電壓的0.8倍以上，可獲得較為穩(wěn)定的直流輸出電壓。圖7a給出了整流天線二元陣效率及輸出功率隨輸入功率密度的變化曲線，當(dāng)功率密度為26.5 mW/cm2時，并聯(lián)二元陣、串聯(lián)二元陣以及單元的輸出直流功率分別為17.28、17.36和9.45 mW，整流效率分別為43.3%、43.5%和47.4%。二元陣的輸出直流功率約為單元的2倍，2個陣列的整流效率基本一致，略低于單元的整流效率，主要由測試誤差所引起。當(dāng)功率密度為10 mW/cm2時，二元陣輸出的直流功率約為7.3 mW。從圖7b可以看出并聯(lián)和串聯(lián)二元陣與單元的輸出電壓比值分別為0.93和1.92，基本符合理論結(jié)果1.0，陣列的線性度較好。

2 整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

平面印刷天線作為各類無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其多頻、寬帶、高增益和多極化等性能已有豐富的研究成果，整流天線高轉(zhuǎn)換效率及其功能擴展，主要依賴于整流電路。下面對整流電路及其功能提升的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相應(yīng)適用范圍進行比較、論述。

2.1 整流電路基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

按二極管的連接方式不同，整流電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有5種：二極管串聯(lián)型、并聯(lián)型、倍壓型、倍流型和橋式整流電路，如圖8所示。

單個二極管串/并聯(lián)型整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛。這2種結(jié)構(gòu)整流電路中二極管的導(dǎo)通損耗最小，整流效率較高。一般商用肖特基，輸入功率為-10、20 dBm時效率分別可達50%、80%以上。但是單二極管整流電路的輸出直流能量小、電壓低，不一定能夠滿足需求。倍壓型整流電路通過電容上的電荷積累效應(yīng)來產(chǎn)生高電壓，倍流型整流電路則是通過電感實現(xiàn)高輸出電流，分別適合于高直流電壓和電流需求的場合。目前，對倍壓整流電路的研究比較多，倍壓階數(shù)對電壓增益和整流效率的影響較大.隨著階數(shù)的增加，輸出電壓和整流效率隨之增加，對應(yīng)的輸入功率向高處偏移，即在不同輸入功率等級下，對應(yīng)的最優(yōu)階數(shù)不同。橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬于全波整流，要求二極管具有高反向擊穿電壓，并且正/負(fù)半波都需要克服2個二極管的閾值電壓，因此橋式整流電路一般在高輸入功率條件下獲得高整流效率，也可在低輸入功率條件下提供高輸出電壓。

2.2 功能擴展整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

整流天線的多/寬頻和寬輸入功率動態(tài)范圍特性主要由整流電路決定。實現(xiàn)整流電路多/寬頻特性和寬輸入功率動態(tài)范圍整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有單支路和多支路2種（圖9）。

單支路多/寬頻整流電路通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖9a所示，整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是上述提到的5種方式。利用微波傳輸線在不同頻率上具有不同電長度和特性阻抗，通過調(diào)節(jié)匹配枝節(jié)的尺寸，來實現(xiàn)多/寬頻特性。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于PCB工藝來實現(xiàn)。圖9b是多支路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即利用多條支路分別對各個頻段的電磁能量整流，然后將直流能量集中于負(fù)載而進行收集。多支路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于CMOS集成電路工藝，雖然有多個支路，但是CMOS工藝的高集成度，即使在UHF、L波段，整流電路面積也很小。多支路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)亦可用PCB工藝實現(xiàn)，在較低的微波波段可采用集總元件設(shè)計直通濾波器和輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，以減小電路尺寸，但會損失部分效率。

寬輸入功率范圍單支路整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有基于FET和基于pHEMT（贗調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管）2種，如圖10所示?；贔ET單支路結(jié)構(gòu)中，將場效應(yīng)管作為開關(guān)，控制具有不同導(dǎo)通電壓的整流二極管，D1、D2分別適用于低、高輸入功率，F(xiàn)ET與D2并聯(lián)。當(dāng)輸入功率較低時，F(xiàn)ET導(dǎo)通，D2被短路，只有D1工作；當(dāng)輸入功率較高時，F(xiàn)ET斷開，D1和D2串聯(lián)共同工作，從而拓展了輸入功率范圍。基于pHEMT單支路結(jié)構(gòu)中，將場效應(yīng)管與二極管視為一整體，利用pHEMT來保護二極管，整體的啟動電壓與二極管的啟動電壓基本一致，整體的反向擊穿電壓相較于二極管本身的反向擊穿電壓要大，數(shù)值上等于場效應(yīng)管柵漏極間最大擊穿電壓，從而達到拓寬輸入功率范圍的目的。

寬功率多支路整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與多/寬頻的類似，設(shè)計不同的支路，每條支路適用于不同輸入功率范圍，對于CMOS技術(shù)，一般要加入功率檢測器、邏輯比較器、單刀多擲開關(guān)等數(shù)字元件，然后將微波輸入不同功率的整流電路；對于PCB工藝，可采用功分的方式，分成若干條支路，分別適應(yīng)不同功率的整流。

3 整流天線設(shè)計方法

整流天線的設(shè)計需要首先考慮使用環(huán)境，為了節(jié)省空間和減小質(zhì)量，整流天線一般附著于用電設(shè)備表面，因此采用具有低剖面的PCB或CMOS技術(shù)。

3.1 整流天線的傳輸線考慮

為了便于集成和阻抗匹配，整流電路的傳輸線與接收天線的饋線一般采用相同類型。按照傳輸線形式來分，整流天線有微帶線型、共面波導(dǎo)（CoPlanar Waveguide，CPW）型和共面帶狀線（CoPlanar Stripline，CPS）型，在普通微波波段，這3種類型整流電路的MWDC轉(zhuǎn)換效率都達到80%以上，但是各具特點。

微帶線型整流電路有3個優(yōu)點：1）相同特性阻抗的傳輸線，微帶線的寬帶相對小，在整流天線組陣過程中可彎折，因此設(shè)計靈活，可實現(xiàn)小型化；2）容易用“T”形枝節(jié)、十字枝節(jié)等設(shè)計多頻阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；3）在普通微波波段，當(dāng)前的各種商業(yè)微波電路軟件設(shè)計精度足夠。但微帶線型整流電路中需孔化接地，易帶來寄生效應(yīng)。CPS型和CPW型整流天線結(jié)構(gòu)簡單，易組陣，片狀元件可直接跨接在傳輸線上，無需金屬過孔，避免了穿孔帶來的寄生效應(yīng)和工藝麻煩；但CPS和CPW饋電天線的增益、極化、帶寬等性能的提升一般以犧牲體積為代價。CPW傳輸線色散特性優(yōu)于微帶線和CPS。另外，CPS接收天線和整流電路無法直接測量，需設(shè)計巴倫，目前的商用軟件不能使用，只能用理論公式和實驗方法。

3.2 整流天線設(shè)計步驟

基于目前可用分析方法，總結(jié)整流天線設(shè)計步驟如下：

1） 根據(jù)實際需求，明確負(fù)載值、所需的輸出直流功率、輸出電壓和電流，以此初步設(shè)計整流天線組陣形式，阻值、電壓、電流和功率滿足一般電路理論。

2） 由工作頻率、反向擊穿電壓和導(dǎo)通電壓的要求選擇微波整流二極管，確定二極管輸入阻抗值。在10 GHz以下頻段可用理論公式[37]和微波電路仿真軟件，如ADS、Designer等，也可用實驗方法測試[48]；毫米波段可用理論公式做初步估計，然后用實驗方法準(zhǔn)確確定二極管輸入阻抗[46]。

3） 分析整流二極管得到最大轉(zhuǎn)換效率時所需要的輸入功率，商用肖特基二極管的理論和仿真效率一般都在80%以上。根據(jù)發(fā)射系統(tǒng)的功率和發(fā)射天線增益及傳輸距離，確定接收天線增益，從而設(shè)計天線或天線陣。

4） 設(shè)計天線和二極管之間的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)或輸入低通濾波器。低通濾波器的功能也可以在接收天線上實現(xiàn)，即設(shè)計具有諧波抑制功能的接收天線。

5） 設(shè)計輸出直通濾波器?？捎枚嗉壣刃伍_路枝節(jié)或者集總元件實現(xiàn)，前者差損小，輸出直流穩(wěn)定，但是體積大；后者反之。

4 總結(jié)與展望

在太陽能衛(wèi)星、近空間浮空器、無人機、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用推動下，作為微波輸能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，整流天線成為當(dāng)前的研究熱點，并且取得了一些成果，但同時存在以下問題：

1）從整流電路轉(zhuǎn)換效率上看，在20世紀(jì)90年代以后很多文獻中的效率要低于早期的報道。其原因在于，60年代Brown博士所用的二極管是專門為高功率高轉(zhuǎn)換效率而設(shè)計的，而后期的設(shè)計大部分使用商用肖特基二極管，其功率容量低。

2）從研究方法上來看，二極管非線性特性理論分析一直沿用1992年K.Chang教授等提出的輸入阻抗和整流效率計算公式，這組公式的推導(dǎo)忽略了二極管理想系數(shù)、伏安特性等自身參數(shù)，從而造成在毫米波段計算誤差很大，不再適用。

3）MPT系統(tǒng)中需要整流天線與發(fā)射天線極化和方向?qū)?zhǔn)，否則，系統(tǒng)效率將大大降低。研究者提出回溯天線陣、信標(biāo)等方法來解決方向?qū)?zhǔn)的問題，但是系統(tǒng)復(fù)雜度增大，極化和方向?qū)?zhǔn)問題給遠距離MPT技術(shù)實施造成障礙。

綜上所述，未來微波輸能技術(shù)研究方向主要包括以下幾方面：

1）微波整流二極管的理論研究。二極管輸入阻抗隨工作頻率、輸入功率以及負(fù)載而變化，輸入阻抗是設(shè)計整流電路的關(guān)鍵參量，所以應(yīng)該建立不同工作條件下嚴(yán)格的二極管等效電路模型，分析包含二極管準(zhǔn)確特性的輸入阻抗和整流效率計算公式。另一方面，針對高功率和低微功率整流應(yīng)用，應(yīng)提出對二極管特性的需求，研制適用于不同環(huán)境的專用高效整流二極管。

2）能量和信息并行傳輸。隨著移動通信、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛增加，終端用戶和無線傳感器節(jié)點需要隨時隨地高速接入無線網(wǎng)絡(luò)；同時，無線技術(shù)的發(fā)展，使得環(huán)境中充滿著豐富的電磁波，將這些電磁能量回收利用可節(jié)約能源，符合社會可持續(xù)發(fā)展的需求。能量和信息共用某一頻段同時收發(fā)，會對信道產(chǎn)生影響，需要從理論上深入探討，提出解決方案。

3）遠距離MPT系統(tǒng)DCDC效率的提高。MPT用于長距離無線能量傳輸是一項極具吸引力的技術(shù)，但是自由空間MPT實驗中DCDC效率還小于10%。系統(tǒng)效率的提高可從兩方面來考慮：第一，根據(jù)接收整流天線對功率密度的需求優(yōu)化發(fā)射天線口徑電平分布，研究發(fā)射天線功率合成和功率源技術(shù)[49]；第二，可以結(jié)合時間反演算法，利用接收到的脈沖信號定位接收端位置，自動優(yōu)化微波輸能的傳輸路徑，將電磁波聚焦在接收端附近，提高能量傳輸系統(tǒng)的效率及靈活性。

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