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微波无线能量传输（MWPT），简称微波无线传能是以微波作为传输媒质实现能量远距离的无线传输[1-2]。作为一种新的能量传输方式，其在空间太阳能电站、无线传感器网络供电、无人飞行器的能源补给和边远高危地区供电等军事和民用领域具有重大的应用价值[3-5]。微波无线传能系统主要包含微波源、发射天线、接收天线和整流电路。处于接收端的接收天线和整流电路的集成又称为整流天线（rectenna，receiving antenna＋rectifier），负责接收发射天线辐射的微波能量并将其转化为直流能量[6]。整流天线基本构成主要包含接收天线、输入滤波器、整流二极管、直通滤波器和直流负载。整流天线接收微波能量并将其转换为直流的效率，即为整流效率或转换效率，定义为输出的直流功率与接收的微波功率之比，是整流天线最重要的指标。
在微波无线传能系统中，对线极化整流天线的研究较多[7-10]，但在工程应用中线极化整流天线性能对入射波的极化方向较为敏感。当线极化整流天线与发射天线极化方向失配时，会导致接收天线接收的微波功率下降，从而使整流电路偏离最佳工作点，进一步造成整流效率下降。在针对移动目标的微波无线能量传输等应用场景，例如采用微波无线传能对空中无人机进行无线供电，整流天线需安装于无人机的机翼或机腹下方，其极化方向会随无人机姿态位置的调整而变化，此时采用线极化整流天线显然不合适。为了克服发射和接收天线极化失配而造成能量损失，研究者们分别对双极化和圆极化整流天线进行了研究[11-13]。文献[14]中采用双圆极化整流天线来接收微波能量，但当入射波为线极化时，依然会存在3 dB的极化损耗。而对于双极化整流天线，无论入射波是线极化还是圆极化，理论上都不会存在极化失配造成的微波能量的损耗。
本文对双极化整流天线进行设计和研究，设计了一款5.8 GHz高效率双极化整流天线。该整流天线采用金属环加载的2×2微带阵列天线作为接收天线，并将接收天线通过金属探针与5.8 GHz F类整流电路进行集成。加工了整流天线实物并进行测试，同时将其与同样口径面积的线极化整流天线进行了比较。测试结果表明该双极化整流天线性能对入射波极化方向不敏感，具有良好的全极化接收整流性能。在1.47 mW·cm−2的最佳入射功率密度下，整流天线的最大转换效率达到76.8%。与线极化整流天线相比，当入射波极化方向在0°～90°变化时，双极化整流天线的转换效率始终保持在62%以上，具有稳定的直流输出功率。
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对于双极化整流天线的设计过程，首先介绍双极化接收天线的设计，然后是整流电路设计，最后是接收天线和整流电路的集成设计。
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双极化接收天线结构如图1所示，接收天线为2×2的微带阵列天线，包含一分四馈电微带功分网络和2×2圆形贴片阵列，馈电方式为底馈。在天线的每个辐射贴片上加载金属环以拓宽电流的路径，提高天线的阻抗带宽和应用鲁棒性。天线的结构参数如表1所示。
图 1 双线极化接收天线结构图
Figure 1. Structure of the dual-polarized receiving antenna
表 1 双线极化2×2微带阵列天线结构参数
Table 1. Structural parameters of the designed dual-polarized receiving antenna
(unit: mm) d1 d2 v1 v2 v3 v4 v5 w1 w2 w3 w4 13.3 17.3 8 6.525 8.8 18.5 15.4 0.6 0.7 1.6 0.4 h1 h2 h3 h4 h5 u1 u2 u3 u4 H 6.5 14.4 5.5 11.7 15.3 0.49 0.7 1.8 0.7 9 图2为双极化接收天线的加工实物图。微带结构采用介电常数2.65，厚度1 mm的介质板加工。金属环采用铜来加工并通过回流焊的方式固定在辐射贴片上。
图 2 双极化接收天线加工实物图
Figure 2. Prototype of the fabricated dual-polarized receiving antenna
双极化接收天线两个端口的反射系数与隔离度仿测结果如图3所示，仿真与测试结果非常吻合，水平极化和垂直极化端口在5.8 GHz实测反射系数分别为−23 dB和−26 dB，反射系数小于−10 dB阻抗带宽分别为7.2%（5.64～6.06 GHz）和9.8%（5.5～6.07 GHz），两个端口在5.8 GHz隔离度为19.7 dB。
图 3 双线极化接收天线仿真与测试的S参数比较
Figure 3. Comparison of the simulated and measured S-parameters for the dual-polarized receiving antenna
图4（a）和图4（b）为双极化接收天线水平极化端口和垂直极化端口仿真的三维增益方向图，两个端口的增益分别为12.05 dBi和12.07 dBi，口径效率大于87%。由于两个极化方向的方向图是对称的，只测试了垂直极化端口的方向图，结果如图4（c）和4（d）所示，可以看出仿真与测试一致性较好。
图 4 双极化接收天线仿真与测试的方向图比较
Figure 4. Comparison of the simulated and measured radiation pattern of the dual-polarized receiving antenna
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F类整流电路结构如图5（a）所示[15]，其为并联形式的整流电路，主要包含输入匹配网络，F类谐波抑制网络，并联的MA4E1317肖特基二极管，直通滤波器和直流负载。在并联二极管前端加载的F类谐波抑制网络对二极管产生的偶次谐波短路，奇次谐波开路从而使二极管两端的电压波形为方波，电流波形为正弦波。二极管电压和电流波形交叠的部分减少了，降低了二极管自身的损耗，从而提高了整流效率。整流电路的结构参数如表2所示。采用厚度0.813 mm的罗杰斯RO4003C介质板对该电路进行加工，实物如图5（b）所示。
表 2 5.8 GHz F类整流电路结构参数
Table 2. Structural parameters of the 5.8 GHz class-F rectifer
(unit: mm) l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7 z1 z2 8 3.4 2.8 1.2 1.8 7.3 5.3 2.4 0.6 
图 5 5.8 GHz F类整流电路的结构和加工实物
Figure 5. Schematic and photograph of the designed 5.8 GHz class-F rectifier
图6为5.8 GHz F类整流电路仿真与测试的输出电压和整流效率，仿真与测试结果吻合良好。当输入功率为16.8 dBm时，在5.8 GHz测试的最高整流效率为82.1%。由于整流二极管的非线性特性，在最佳输入功率下，整流电路匹配最好，达到最大整流效率。当输入功率大于最佳工作点时，整流效率迅速下降，这是因为二极管工作在击穿状态，即使增大输入功率，其输出电压基本不再继续增加。
图 6 5.8 GHz F类整流电路仿真与测试的整流效率和输出电压比较
Figure 6. Comparison of simulated and measured rectifying efficiency and output voltage for the 5.8 GHz class-F rectifier
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接收天线与整流电路的集成设计也即是将接收天线与整流电路连接到一起，构成整流天线，有如下要求：（1）接收天线与整流电路要阻抗匹配，确保接收天线接收的微波功率无反射地进入整流电路；（2）天线本身具有谐波抑制功能，或者在接收天线和整流电路之间设计低通滤波器抑制整流电路肖特基二极管产生的高次谐波，将高次谐波进行回收重新整流，避免高次谐波通过接收天线产生二次辐射。测试了双极化微带阵列接收天线谐波分量处的S参数，测试结果如图7所示，可以看出天线的|S11|在二次谐波11.6 GHz和三次谐波17.4 GHz处都大于−2.5 dB，天线本身与整流电路在高次谐波分量处失配，因此不需要额外设计低通滤波器。
图 7 双极化接收天线在谐波频率处测试的反射系数
Figure 7. Measured reflection coefficients of the dual-polarized receiving antenna at high harmonic frequencies
如图8所示，本文采用金属探针实现接收天线和整流电路集成设计。将接收天线和整流电路采用背馈的方式设计为50 Ω，接收天线与整流电路通过直径1.3 mm的金属探针连接。金属探针、直径3 mm的空气介质和介质板的金属地共同构成50 Ω空气同轴线，天线和整流电路单独加工，通过尼龙螺钉固定在一起。这样设计省去了天线和电路的SMA接头，结构更为紧凑、性能更可靠和一致，加工更为方便；避免加工多层板，降低加工难度和节约成本；通过对互联结构部分的阻抗匹配设计，可提升整流天线的效率。
图 8 接收天线和整流电路通过金属探针集成示意图
Figure 8. Schematic of the integration between receiving antenna and rectifier through metal probe
如图9（a）所示，将金属环加载双极化2×2微带阵列接收天线与5.8 GHz F类整流电路通过金属探针进行集成得到双极化整流天线。双极化接收天线的水平极化和垂直极化端口各接了一个整流电路，两个整流电路的直流输出通过并联的方式进行直流合成。为了便于比较研究，还加工制作了同样口径面积的线极化整流天线，如图9（b）所示。
图 9 线极化和双极化整流天线的加工实物
Figure 9. Photographs of the fabricated dual-polarized and single-polarized rectenna
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设计并制作了如图10所示的整流天线测试系统，发射天线和接收天线通过支架固定在距离可调的金属滑轨上，方便调节收/发天线之间的距离，同时保证收/发天线对准，确保测试的准确性。在发射天线的支架上每隔15°加工了安装孔用于固定发射天线，同时方便调节发射天线的极化角度。发射天线为5.8 GHz标准增益喇叭天线，其增益为14.96 dBi，口径面尺寸为119 mm×80 mm，远场距离为0.79 m。收/发天线之间的距离为2 m，确保远场传输。接收端在同一高度放置两个天线，一个为接收天线，作为参考天线，不连接整流电路；另一个为整流天线。接收天线后端连接功率计，测试接收的微波功率，并根据接收天线有效口径面积，标定入射的微波功率密度。整流天线负载的两端接万用表，测试直流电压并计算出直流功率。调整微波源的输出功率和发射天线的极化角度，测试获得不同入射波功率密度和极化角度下整流天线的性能。整流天线转换效率计算公式
图 10 整流天线转换效率测试系统示意图
Figure 10. Schematic of the rectenna test system
$${\eta _{{\rm{MW - DC}}}} = \frac{{{P_{{\rm{DC}}}}}}{{{P_{\rm{r}}}}} = \frac{{{V_{{\rm{DC}}}^2}}}{{{R_{\rm{L}}}{P_{\rm{r}}}}}$$ (1) 式中：PDC和VDC分别为负载电阻上收到的直流功率和直流电压；RL为负载电阻；Pr为接收天线接收到的微波功率。
图11为线极化整流天线在入射波不同极化角度下的转换效率和输出直流功率。当极化对准时，在入射波的功率密度为1.47 mW·cm−2，也即是接收功率为16.97 dBm时，最高转换效率为77.4%。可以看出，当入射波功率密度不变时，在入射波极化角度从0°变化到90°时，线极化整流天线转换效率和输出直流功率逐渐下降，其性能对入射波极化角度较为敏感。在入射波极化角度为0°时，收/发天线极化对准，此时整流效率和输出直流功率最高；在入射波极化角度为90°时，收/发天线极化正交，此时整流效率和输出直流功率为0。
图 11 不同入射波极化角度下线极化整流天线的转换效率和输出直流功率与入射波功率密度的关系
Figure 11. Conversion efficiency and output DC power of linear-polarized rectenna under different incident angle and power densities
图12为双极化整流天线在入射波不同极化方向下的转换效率和输出直流功率。从图12（a）测试的转换效率可以看出，在入射波极化角度为0°和90°时，这种情况下只有一个极化端口能接收到微波功率，等同于线极化接收情况。此时双极化整流天线的转换效率与线极化整流天线相同，在1.47 mW·cm−2的最佳入射波的功率密度下，获得最高转换效率76.8%。同时可以发现，在最佳入射功率密度1.47 mW·cm−2下，入射波极化方向变化时，双极化整流天线转换效率始终保持在62%以上。相比于线极化整流天线，在入射波极化方向变化时，双极化整流天线的输出直流功率比较稳定。因此，双极化整流天线既能达到线极化整流天线的最大转换效率，同时对入射波极化角度不敏感，具有较好的全极化接收整流性能。
图 12 不同入射波极化角度下双极化整流天线的转换效率和输出直流功率与入射波功率密度的关系
Figure 12. Conversion efficiency and output DC power of dual-polarized rectenna under different incident angle and power densities
在最佳入射功率密度1.47 mW·cm−2下，比较了具有相同接收口径面积的线极化整流天线和双极化整流天线的输出直流功率与入射波极化方向的关系，测试结果如图13所示。可以看出在同样的入射功率密度和同样的接收天线口径面积下，入射波极化方向为0°时，线极化和双极化整流天线输出直流功率几乎相同；随着入射波极化方向的增大，线极化接收天线因极化失配其输出直流功率迅速下降，在入射波极化方向为90°时，输出直流功率为0；而双极化接收整流天线的输出直流功率较为平稳，具有较好的全极化接收整流性能。
图 13 最佳入射功率密度下线极化和双极化整流天线输出直流功率与入射波极化角度的关系
Figure 13. Comparison of the output DC power between linear-polarized and dual-polarized rectenna under different incident angles
表3将文献中已发表的全极化整流天线进行了比较，可以看出在5.8 GHz本文设计的双极化整流天线表现出较高的转换效率[12-13,16]。
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为了克服微波无线传能中收/发天线极化失配造成的能量损失和传输效率的下降，本文设计了一款5.8 GHz高效率双极化整流天线。该整流天线由5.8 GHz金属环加载的双极化微带阵列接收天线和5.8 GHz F类整流电路通过金属探针集成设计而成。实验测试结果表明，该双极化整流天线在1.47 mW·cm−2的最佳入射功率密度下，最大转换效率达到76.8%。且当入射波极化方向在0°～90°变化时，双极化整流天线的转换效率始终保持在62%以上，具有稳定的直流输出和良好的全极化接收整流性能，能够满足对移动目标微波无线传能的应用需求。
Design of high-performance dual-polarized rectenna for microwave wireless power transmission
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摘要: 设计了一款用于微波无线传能的5.8 GHz高效率双极化整流天线。该整流天线包含5.8 GHz双极化接收天线和5.8 GHz F类整流电路，并通过金属探针实现接收天线和整流电路的集成。接收天线为2×2微带阵列天线，采用了金属环加载技术提升天线的阻抗带宽和鲁棒性。采用金属探针代替常规微波接插件和线缆，实现了接收天线和整流电路的集成，该集成技术不仅简化了整流天线结构，还降低了整流天线的重量、损耗和成本。将双极化整流天线进行了加工和整流效率测试并将其与同样口径面积的线极化整流天线进行比较。实验测试结果表明，在1.47 mW·cm−2的最佳入射功率密度下，该双极化整流天线的最大转换效率达到76.8%。与线极化整流天线相比，当入射波极化方向在0°～90°变化时，双极化整流天线的转换效率始终保持在62%以上，具有稳定的直流输出，表现出良好的全极化接收整流性能。Abstract: This paper presents a 5.8 GHz high-efficiency dual-polarized rectenna for microwave wireless power transmission. The rectenna consists of a 5.8 GHz dual-polarized receiving antenna and a 5.8 GHz class-F rectifier. A metallic probe is used to integrate the receiving antenna and the rectifier. The receiving antenna is a 2×2 microstrip array antenna and the metal ring loading technology is adopted to improve the rectenna’s impedance bandwidth and robustness. The metal probe instead of the conventional microwave connector and cable is utilized to realize the integration of receiving antenna and rectifier circuit, thus simplifying the structure and reducing the weight, loss and cost of the rectifier antenna. A prototype of the dual-polarized rectenna is fabricated and its rectifying efficiency is measured and compared with the linear-polarized rectenna with the same aperture area. The measured results show that the maximum conversion efficiency of the dual-polarized rectifying antenna reaches 76.8% under the optimum incident power density of 1.47 mW·cm−2. Compared to the linear-polarized rectenna, when the polarization direction of the incident wave varies from 0° to 90°, the conversion efficiency of the rectenna antenna is always above 62% with stable DC output and the rectenna antenna exhibits excellent all-polarization receiving rectification performance.
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Key words:
- rectenna /
- dual-polarization /
- metallic ring-loaded /
- probe integration /
- conversion efficiency
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图 2 双极化接收天线加工实物图
Figure 2. Prototype of the fabricated dual-polarized receiving antenna
图 3 双线极化接收天线仿真与测试的S参数比较
Figure 3. Comparison of the simulated and measured S-parameters for the dual-polarized receiving antenna
图 4 双极化接收天线仿真与测试的方向图比较
Figure 4. Comparison of the simulated and measured radiation pattern of the dual-polarized receiving antenna
图 5 5.8 GHz F类整流电路的结构和加工实物
Figure 5. Schematic and photograph of the designed 5.8 GHz class-F rectifier
图 6 5.8 GHz F类整流电路仿真与测试的整流效率和输出电压比较
Figure 6. Comparison of simulated and measured rectifying efficiency and output voltage for the 5.8 GHz class-F rectifier
图 7 双极化接收天线在谐波频率处测试的反射系数
Figure 7. Measured reflection coefficients of the dual-polarized receiving antenna at high harmonic frequencies
图 8 接收天线和整流电路通过金属探针集成示意图
Figure 8. Schematic of the integration between receiving antenna and rectifier through metal probe
图 9 线极化和双极化整流天线的加工实物
Figure 9. Photographs of the fabricated dual-polarized and single-polarized rectenna
图 11 不同入射波极化角度下线极化整流天线的转换效率和输出直流功率与入射波功率密度的关系
Figure 11. Conversion efficiency and output DC power of linear-polarized rectenna under different incident angle and power densities
图 12 不同入射波极化角度下双极化整流天线的转换效率和输出直流功率与入射波功率密度的关系
Figure 12. Conversion efficiency and output DC power of dual-polarized rectenna under different incident angle and power densities
图 13 最佳入射功率密度下线极化和双极化整流天线输出直流功率与入射波极化角度的关系
Figure 13. Comparison of the output DC power between linear-polarized and dual-polarized rectenna under different incident angles
表 1 双线极化2×2微带阵列天线结构参数
Table 1. Structural parameters of the designed dual-polarized receiving antenna
(unit: mm) d1 d2 v1 v2 v3 v4 v5 w1 w2 w3 w4 13.3 17.3 8 6.525 8.8 18.5 15.4 0.6 0.7 1.6 0.4 h1 h2 h3 h4 h5 u1 u2 u3 u4 H 6.5 14.4 5.5 11.7 15.3 0.49 0.7 1.8 0.7 9 
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表 2 5.8 GHz F类整流电路结构参数
Table 2. Structural parameters of the 5.8 GHz class-F rectifer
(unit: mm) l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7 z1 z2 8 3.4 2.8 1.2 1.8 7.3 5.3 2.4 0.6
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