整流天线技术及应用

池玉友，许建军，秦占豪

电子信息对抗技术・第２２卷

整流天线技术及应用２００ｒ７年７月第４期

中图分类号：’Ｉ№２０

文献标志码：Ａ

文章编号：ＣＮ５１—１６９４（２０ｃｒ７）０４—００２８一０４

整流天线技术及应用

池玉友，许建军，秦占豪

（信息综合控制国家重点实验室，成都６１００３６）

摘要：整流天线能把空间的微波能量转化为直流能量。本文分析了它的工作原理，介绍了几种理论分析方法和关键指标测试方法，并进一步分析研究了检波二极管微波／直流转换效率随负

载和输入功率的变化关系。最后，列举了整流天线技术在工程技术领域已取得的成果并分析了它的应用前景。

关键词：整流天线；转换效率；直流能量

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１

引言

整流天线的概念起源于上世纪５０年代提出

频能量为直流能量的技术通常称为整流天线技

术。

的利用电磁波传送能量的设想。在这一设想中人们希望直流电能或普通的工业交流电能能够借助

直流／射频转换Ｈ波束形成天线Ｌ一自由空间传播

射频／直流转换

于电磁波的定向传播实现像目前微波通信领域一样的无线传输，即微波输能的概念。通常微波输

能的实现可以用图１所示方框图表示，它包括下面三个过程：

１）直流能量转化为射频能量；

图１微波输能系统示意图

２）射频能量通过自由空间传输到目的地；３）在目的地射频能量被接收并转化为直流能量。其中第三个过程中天线接收的射频能量通过采用类似于低频整流电路的方式将射频能量转化为直流能量，这种接收天线和整流电路相结合转换射

收稿日期：２００ｒ７一Ｏｌ一２３：修回日期：２０ａ７—０３—０５

图２整流天线工作原理框图

２整流天线的工作原理

整流天线主要由四部分组成，其工作原理如

作者简介：池玉友（１９７０一），男，高级工程师；许建军（１州一），男。博士研究生。

电子信息对抗技术・第２２卷２０町年７月第４期

池玉友，许建军，秦占豪整流天线技术及应用

．

图２所示。接收天线接收空间电磁波能量至馈线；低通滤波器使工作频点的能量低插损通过并

化（左旋、右旋）宽带天线阵列，其中双圆极化宽带

天线阵列如图３所示。

阻碍整流电路产生的二次或更高次谐波通过天线又辐射到自由空间去；整流电路实现射频能量转

化为直流能量；直通滤波器实现直流能量低插损

２．２低通滤波器

低通滤波器的设计一方面需要实现基频能量的低损耗传输并阻碍整流电路产生的高次谐波能量传输到天线上，另一方面低通滤波器还要实现与天线和二极管的阻抗匹配。文献［３］中设计的共面带线滤波器基频５．８Ｇ拖的插损是０．３ｄＢ，二次谐波的插损则超过２０ｄＢ，天线侧阻抗２５０Ｑ，二

极管侧阻抗１７０Ｑ，实现与天线阻抗２５０Ｑ和二极管阻抗１７０Ｑ的匹配。

传到负载，而对于基频以及由整流电路产生的二次及以上谐波能量则起阻碍作用。因此整流电路产生的二次和高次谐波就在低通滤波器和整流电路问来回反射，基频和二次、高次谐波在直通滤波器和整流电路间来回反射、转换，这样就大大提高了射频能量转换为直流能量的效率。这也是射频整流与检波的最大区别，后者虽然也能把射频能量转化为直流能量，但其侧重于信号的检测，而前

者则侧重于直流能量的提取。因而两者采取的技术途径是不一样的。

２．３整流电路

整流电路通常都是由整流二极管组成，在线路结构形式上多数采用类似于低频半波整流线

路，为了提高输出直流电压的幅度，有的也采用倍压整流线路，两种线路分别如图４和图５。

下面着重介绍各部分的工作原理及发展概

况。

２．１接收天线

由于整流天线技术是随着微波输能的概念提出而发展起来，微波输能系统设计在单一频率下工作，因而早期接收天线的设计都考虑在点频下

工作。从最初的偶极子【１］到目前采用的缝隙耦合

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图４半波整流线路

微带天线［２］和双斜方形圆极化天线［３］分别设计在

２．５ＧＨｚ、８．５１眦和５．８ＧＨｚ下工作。设计的重点

是获得尽可能高的增益以及方便于和整流电路部分集成和匹配，因此这些天线都采用印制天线形

一一

一

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式，其中文献［３］中的斜方形圆极化天线的增益达

ｌＯ．７ｄＢｉ。目前由于其它一些应用的需求又发展

亍ｃ５

图５倍压整流线路

了双频（２．４５Ｇ№、５．８Ｇ拖）圆极化天线和双圆极

载。

图４和图５中，Ｃ：直通滤波电路；吼：直流负２．４直通滤波器

直通滤波器发射二极管端传向负载的射频能量，通常采用单只集中参数电容即可达到这一目

的。此时应严格控制直通滤波器基频和多次谐波

的插损等指标。

３整流天线的分析和测试

３．１整流天线的分析方法

整流天线技术中的接收天线、低通滤波器、直

通滤波器的分析设计采用传统的窄带时谐场分析

图３双圆极化宽带整流天线阵列

方法，但系统中加入二极管这一非线性器件后理

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，

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论分析就变得复杂得多。原则上讲非线性电路只能在时域中进行描述与分析，因此最早的整流天线分析方法是№ｈ鹪在１９７５年给出的时域分析【ｌＪ，在

这一分析方法中接收天线等效为电压源与串联电

阻、电容的组合。滤波器采用传统的集中参数等效电路，二极管的等效电路如图６所示。

图６二极管等效电路

其中，如：二极管引线电感；琊：引线电阻；

尺ｙ：由结电压决定的导通电阻；如：结电流；Ｇ：由

结电压决定的结电容。

结合二极管的结电压一电流方程：

，Ｄ＝，ｓ［ｅｘｐ（器）一ｌ】

（１）

这样的结果是要求求解一个大规模的微分方

程组，计算量大，限制了该方法的应用。

第二种方法是Ｍｃｓｐａｄｄ肌于１９９２年采用的谐

波平衡法，这一方法把整个电路分为线性部分和

非线性部。线性部分采用频域解法，非线性部分

采用时域解法，快速傅立叶变换实现信号在时域

和频域间的转换。

第三种方法是李中云等于１９９８年将分析传输线的时域散射参数法引入整流天线的分析，通过建立传输线的时域散射矩阵，在二极管节点处

利用基尔霍夫定律建立电压、电流方程而提出的

分析整流天线的又一种时域方法。

３．２整流天线的测试

整流天线的核心指标就是射频能量转换为直

流能量的效率珈，图７所示为整流天线效率测定

图。’

．

整流天线的效率珈为：

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…

图８二极管效率随输入功率的变化曲线

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池玉友，许建军，秦占豪

整流天线技术及应用

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图９二极管效率随负载大小的变化曲线

流效率还受以下因素的影响：二极管的非线性结

电容、二极管的接触电阻、引线电感等等。

４工程技术领域中取得的成果

１９６４年在雷声公司的实验室，由微波能驱动

的直升机在５０英尺的高度维持飞行了ｌｏ个小时，其中整流天线阵列面积为４平方英尺，该装置使用了４４８０个型号为１Ｎ８２Ｇ的二极管，输出最大直流功率２７０Ｗ。１９７０年在Ｍ嬲ｈａｌｌ‰演示了微波输能系统，直流到直流的转换

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效率是２７％，直流输出功率３９ｗ。

５应用前景和下一步研究方向

应用整流天线技术可以收集周围电磁环境的能量供户内低功率传感器网络应用或回收射频能量为直流能量储存起来，图１０是这种应用的一般

框图。整流天线技术作为微波输能系统构想的一

个环节，微波输能系统实现后可以构建空间太阳

能发电站。另外还可以利用地面的微波能量去驱

动电机，实现无人驾驶的空间飞行器，建立高空永

久飞行平台。

图１０整流天线技术的应用框图

微波输能系统实现后可以取代传统的高压输电线路实现电能的无线传输。从新型能源技术的

产生及应用角度上也具有重大的现实意义。

但由于在整流效率的提高、整流波形的产生

和整形、整流功率的提高等方面还需要进行进一步的探索，这也是整流天线的技术实现难点；同时一些关键器件比如大功率整流管对整流波形效果

和整流效率也具有相当大的影响；另外在整流天线技术的发展和工程运用上还需要伴随一些其余

技术的同步发展和支持，比如飞行平台上整流能量的传输和接收时需要的自适应波束控制等技术。因此，为推动整流天线技术的发展，为工程化

探索打下基础，既需要进一步发展上述整流天线

关键技术，也需要进一步提高关键器件的水平，还

需要同步发展自适应波束控制等技术。

６结论

整流天线技术实现射频能量到直流能量的转换，它与传统的微波产生、发射是一个相反的物理

过程。整流天线技术在微波输能这样的应用中，由于各个环节的转换效率太低，近期还无法达到实用的程度。就这一技术的发展而言，对它的研究会对整流技术以及相关的技术发展带来契机，对拓展和深化人类对电磁领域规律的认识，提高人类驾驭电磁能量的本领起到积极的作用。

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整流天线技术及应用

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

池玉友， 许建军， 秦占豪， CHI Yu-you， XU Jian-jun， QIN Zhan-hao信息综合控制国家重点实验室,成都,610036电子信息对抗技术

ELECTRONIC INFORMATION WARFARE TECHNOLOGY2007，22(4)0次

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相似文献(10条)

1.期刊论文 王九灵. 郭庆功. WANG Jiu-ling. GUO Qing-gong 一种用于无线输能的2.45 GHz微带贴片整流天线 -信息与电子工程2008,6(2)

为了提高大信号输入下整流天线的整流效率,利用Ansoft Designer仿真软件,设计制作了一种工作在2.45 GHz的微带整流天线,接收天线采用二元串联微带矩形贴片阵列,单元贴片之间引入两个短枝节以调节方向图指向;整流电路采用二极管串联双管倍压电路.实验结果与仿真结果二者吻合良好,实测得到输入功率为100 mW时,微波-直流转换效率达到64%,同单管并联电路相比,大大提高了整流电路的输入功率,使整流天线的实际转换效率更高.

2.期刊论文 杨雪洲. 李思敏. YANG Xue-zhou. LI Si-min 基于无线传感器网络的高效整流天线设计 -计算机工程2010,36(16)

能够进行无线能量传输的整流天线技术是解决无线传感器网络能量供应问题的最佳技术手段.由此设计一种新型高效整流天线,采用将接收天线与整流二极管直接匹配的方法,在减小天线尺寸的同时提高了整流效率,在5.8 GHz下达到82.4%的转换效率,增加了整流天线的可串联性,能够更好地满足无线传感器网络的技术要求.

3.期刊论文 杨雪霞. 薛玉杰. YANG Xue-xia. XUE Yu-jie X波段圆极化整流天线的设计与实验 -上海大学学报（自然科学版）2007,13(4)

用电路仿真软件分析了影响微波整流二极管转换效率的因素,用电磁场全波分析软件研究整流天线的接收天线和LPF(低通滤波器),在此基础上,提出整流天线优化设计的一体化分析模型.设计制作了工作于10 GHz的整流天线,并在微波暗室中完成实验测量.实测结果与仿真值较为吻合,测得最大输出电压为2.45 V,最高转换效率为58%.最后总结了影响整流天线效率的诸因素,提出进一步提高整流天线效率的途径.

4.会议论文 杨雪霞. 徐长龙 用于无线输能的整流天线的设计与实验 2007

介绍了整流天线的工作原理，用电路仿真软件分析了影响微波整流二极管转换效率的因素，提出了一种适用于整流天线的新型圆极化接收天线。设计制作了工作于x波段的整流天线，在微波暗室中完成了试验测量。测得整流天线最大输出电压为3.86V，最高转换效率为75％。随整流天线的旋转，输出电压在2.9～3.44 V区间变化，相对稳定。

5.期刊论文 胡浩. 孔力. HU Hao. KONG Li 一种新颖的5.8 GHz圆极化接收整流天线 -无线电工程2008,38(1)

提出了一种新颖的用于微波能量传输的圆极化接收整流天线.截角矩形微带天线作为接收天线,在工作频率为5.8 GHz时得到的轴比为1.2 dB,使用肖特基势垒二极管作为整流部分.通过测量接收整流天线的能量转换效率,证明发射天线和接收整流天线之间的极化未对准对于输出功率和能量转换效率的影响都很小,所以这种接收整流天线非常适用于移动物体间的微波能量传输.

6.期刊论文 邓红雷. 孔力 一种实用线极化矩形微带贴片接收整流天线的仿真设计 -微波学报2004,20(4)

太空电站以及微波输电被认为是解决人类能源危机的一个切实可行的方案之一,本文介绍了微波接收整流天线的原理,设计了一种实用、尺寸简洁的线极化矩形微带贴片接收和整流天线,通过高频电磁仿真软件Ansoft Designer V1.0仿真表明该系统中二极管的转换效率超过70%,系统总转换效率大于63%,验证了该设计在理论和实际上的可行性.

7.期刊论文 高艳艳. 杨雪霞. 周建永. GAO Yan-yan. YANG Xue-xia. ZHOU Jian-yong 新型CPS型低通滤波器在整流天线中的应用 -无线电工程2010,40(9)

提出了一种新型共面带状线(CPS)低通滤波器,并将其用于圆极化整流天线中.该滤波器实现了小插损、宽阻带.通过宽带巴伦转换,实验测得衰减大于15 dB的阻带带宽达到10.3 GHz,5.8 GHz处插入损耗为1.62 dB,在11.6 GHz和17.4 GHz处插入损耗分别为30.3 dB和26.3 dB,与仿真结果吻合较好,有效地抑制了二次和三次谐波.将该低通滤波器应用于圆极化整流天线中,测得高达72.3%的RF-DC(Radio Frequency-Direct Current)转换效率,该整流天线可作为无线输能系统的接收部件.

8.学位论文 薛玉杰 无线输能系统中整流天线的分析与设计 2007

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，目前己应用于许多领域，在为一些微系统供能方面显示了独特的优势，例如射频

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Ansoft Designer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(DMS)低通滤波器，设计制作了可工作于2.45GHz的DMS低通滤波器；然后进一步分析了DMS结构与缺陷地结构(DGS)的组合结构，设计制作了一个3dB截止频率为5.2GHz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AnsoftEnsemble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2×2元口径耦合圆极化微带天线阵，其工作频率分别为9.75GHz和10GHz，分别测得其中心频率上的轴比为1.024dB和0.925，两阵列S小于-15dB的带宽都达到1GHz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10GHz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2.45V，最高转换效率为58％。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。

9.期刊论文 邓红雷. 孔力. DENG Hong-lei. KONG Li 一种新型5.8GHz共面带线整流天线的设计研究 -微波学报2007,23(z1)

整流天线是微波输电的关键技术之一,提出了一种新型结构的5.8GHz的共面带线整流天线,它具有平行结构,不需要钻孔,便于大规模生产,借助IE3DV10.0、ADS 2003C等高频仿真软件对该整流天线的参数进行了优化加工与设计,试验表明该接收整流转换效率达到了75%,验证了设计的可行性.

10.期刊论文 邓红雷. DENG Hong-lei 一种5.8GHz新颖混合结构的整流天线 -信息与电子工程2007,5(5)

整流天线决定了微波无线输电效率的高低.为了克服微带贴片整流天线需要钻孔,不利于大规模生产的问题,提出了一种新型5.8GHz混合结构的整流天线,接收面积大的矩形微带贴片构成接收天线,过渡到具有平行结构的共面带线,二极管和电容可方便地摆放在共面带线的两侧,避免了钻孔.试验表明该接收系统整流转换效率达到了78.2%,验证了设计的可行性.

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