整流天线组阵等效模型分析与实验
基于基片集成波导的正反渐变槽整流天线阵列的研究
基于基片集成波导的正反渐变槽整流天线阵列的研究何繁繁，洪伟，吴柯，汤红军，陈继新（东南大学信息科学与工程学院，毫米波国家重点实验室，南京 210096）摘 要：本文提出和设计Ka波段基片集成波导馈电的正反渐变槽整流天线阵列。
基于基片集成波导技术的整流器通过全波仿真软件和谐波平衡法联合仿真实现。
基片集成波导馈电的正反渐变槽整流天线单元和1×4阵列在低成本的标准PCB工艺上设计和制作。
当频率为30 GHz时，所测得的基片集成波导馈电正反渐变槽天线单元的增益为12 dBi，同时测得整流电路的射频-直流转换效率为27.4％。
在1×4的整流天线阵列中，总直流输出功率约为四个单元整流天线直流输出功率之和。
关键词：电子技术；整流天线阵列；全波电磁仿真和谐波平衡法；正反渐变槽天线；基片集成波导；整流器中图分类号：TN454文献标识码：A 文章编号：1673－7180(2008)01－0059－6Substrate integrated waveguide rectenna array using antipodal linearlytapered slot antennaHE Fanfan，HONG Wei，WU Ke，TANG Hongjun，CHEN Jinxin( State Key Lab. of Millimeter Waves, School of Information Science and Engineering,Southeast University, Nanjing 210096 )Abstract: A Ka-band rectenna array employing the substrate integrated waveguide (SIW) technique with antipodal linearly tapered slot antenna (ALTSA) is proposed and presented in this paper. Rectifiers based on the SIW are simulated and designed by using a combined method of full-wave electromagnetic field simulation and harmonic balance (HB) nonlinear circuit analysis. Single SIW-ALTSA rectenna and 1×4 rectenna array are designed and fabricated with a low-cost standard PCB process. The measured gain of each SIW-ALTSA block is about 12 dBi in 30GHz band, and also the obtained RF-to-DC conversion efficiency of the corresponding rectifier is 27.4%. The measured output DC power of the 1×4 rectenna array is approximately the sum of the four rectennas.Key words: electronics technology；rectenna array；full-wave electromagnetic field simulation and harmonic balance (HB) nonlinear analysis；Antipodal Linearly Tapered Slot Antenna (ALTSA)；Substrate Integrated Waveguide (SIW)；rectifier基金项目：国家自然科学基金委“创新群体”基金(60621002)作者简介：何繁繁(1980—)，男，博士研究生通讯联系人：洪伟，教授. E-mail：weihong@在太阳能卫星，空间站等系统中，微波功率传输是一种解决空对空或空对地功率传输的重要技术[1~3]。
第2章__天线阵的分析与综合(2)
第2章 天线阵的分析与综合
②并排平行排列的两个振子之间的互阻抗的变化幅度比 共轴排列的要大些，说明前者的互耦要强些。 ③互阻抗的实部R12有正有负，它表示另一根振子在这根 振子上附加的感应电动势源而产生的；而自辐射阻抗的 实部为大于零的正数，它表示振子单独存在时全部辐射 的有功功率均由它吸收。 【例2.1】如图为两种情况的半波振子二元阵，查表计算 各振子的辐射阻抗Zr1和Zr2。 解：已知半波振子的自阻抗为
第2章 天线阵的分析与综合
E z1 2 j4 I2 m [e R j 1 R 1 e R j 2 R 2 2 c o s (l)e r jr]
在如图z´坐标系下，式中
(2.3.27)
r d 2 (z H )2
R1 d 2 (z H l)2
R2 d 2 ( z H l)2
【例2―4―1】 计算架设在理想导电平面上的水平 二元半波振子阵的H平面方向图、辐射阻抗以及方 向系数。Im2=Im1e-jπ/2，二元阵的间隔距离d=λ/4， 天线阵的架高H=λ/2。 z
r
I1
4
I2
x
I 1
4
图2―4―5
H＝ 2
＝ ∞
y
H
＝
2
I 2
H平面坐标图
第2章 天线阵的分析与综合
或
Z12R12jX12
(2.3.29)
R 1 2 1 5 s i n ( w 0 ) [ 2 S i ( w 1 ) 2 S i ( w 1 ) S i ( w 2 ) S i ( w 2 ) S i ( w 3 ) S i ( w 3 ) ]
c o s ( w 0 ) [ 2 C i ( w 1 ) 2 C i ( w 1 ) C i ( w 2 ) C i ( w 2 ) C i ( w 3 ) C i ( w 3 ) ]
第2章__天线阵的分析与综合(1)
条件：电流相位差 = 0 ，馈电电流等幅 (k=1) 。
d cos
2d
cos
归一化阵因子
Fa (
)
cos
d
cos
d cos
2d
cos
Fa (
)
cos
d
cos
令Fa( M) = 1，得同相二元阵的最大辐射方向
M = 90
侧射式（边射式）天线阵：最大辐射方向在阵轴的两侧
的天线阵。
d = 0.5
d=
图 (a)分 析1： 两 个单 元天线馈电电流同相，
直线天线阵：各单元天线的中心（馈电点）排列成一条 直线的天线阵；
平面天线阵：各单元天线的中心在一个平面之内的天线阵； 立体天线阵：各单元天线的中心处于三维空间的天线阵。
天线阵由相似元构成。 相似元：形式相同，取向相同的单元天线。
任何天线都可以作为单元天线，简单的天线阵也 可以作为单元天线。
直线阵
2d
结论：天线阵的最大辐射方向由电流相位差 和元间距
d 决定。
fa ( )
fa ( )
2cos
2
fa (
)
2 cos
d
cos
2
当 = 0 时，阵因子有最大值，且 famax = 2
二元均匀阵归一化阵因子
Fa ( ) Fa ( )
1 2
fa
(
)
cos
2
cos
d
cos
2
（1）等幅同相二元阵
d cos
2d
cos
d cos ：由波程差引起的相位差；
：阵元 2 馈电电流超前于阵元 1 馈电电流的相位差。
d 、 给定后， 是方向变量 的函数。
一种基于子阵分解的高效整流天线阵列
一种基于子阵分解的高效整流天线阵列
张鹤馨;刘长军
【期刊名称】《应用科技》
【年(卷),期】2016(043)004
【摘要】针对微波无线能量传输系统中接收端功率密度非均匀分布，提出了一种
高效的子阵分解微波整流天线。
通过研究接收天线阵列功率密度分布规律，设计了针对不同最佳功率点的整流电路。
在微波整流电路功率动态范围有限的情况下，采用子阵分解微波整流天线设计，可以拓展微波整流功率范围，提高系统效率。
实验结果表明，针对微波输出功率从－5～22 dBm的类高斯分布接收阵列天线，采用
最佳工作点为21、17和10 dBm的3种微波整流电路，通过基于子阵分解进行
优化排布，使整流天线的整体效率提高10％以上。
【总页数】5页(P57-61)
【作者】张鹤馨;刘长军
【作者单位】四川大学电子信息学院，四川成都610064;四川大学电子信息学院，四川成都610064
【正文语种】中文
【中图分类】TN455
【相关文献】
1.基于电感非线性阻抗变换的一种新型高效整流电路 [J], 刘跟平;汤永德;王国君;
侯云海
2.基于基片集成波导的正反渐变槽整流天线阵列的研究 [J], 何繁繁;洪伟;吴柯;汤红军;陈继新
3.基于电感非线性阻抗变换的一种新型高效整流电路 [J], 刘跟平;汤永德;王国君;侯云海
4.一种高效率双波段双极化共口径天线子阵 [J], 张智慧;汪伟;陈明;张洪涛;鲁加国
5.一种高效率背腔微带振子阵列天线设计 [J], 牛传峰; 张晓冲; 李增科
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整流天线研究背景
微波输能中的波束相控阵技术1983，第一个成功的微波输能火箭试验，微波电离层非线性交互试验（MINIX），这个实验室在高功率微波波束和等离子体间产生了新的等离子数据和理论，十年后，另一个微波输能火箭试验ISY-METS:包含了一个详细描述等离子体物理学的相控阵。
计算活跃等离子体波的幅度需要知道磁场和活跃等离子体波的角度。
这个相控阵技术能够很好的控制波束指向和磁场与活跃等离子体波的角度。
MILAX:(1992)96个砷化镓半导体放大器和4-b数字移相器与288个天线单元连接，工作于2.411 GHz。
每个放大器子阵列有三个天线（图1）。
相控阵的直径大约1.3m，测量的波数图形如图（图2），波束宽约6°，在0dbm的输入功率情况下，放大器的增益为42dB，（图3），放大器的功率附加效率为40%。
总共的微波能力是1.2KW，由没调制的连续波组成，测得的功率密度如图。
图1 1992,MILAX,第一个将相控天线阵用于MPT应用的实验图2 MILAX相控天线阵中的波束方向图图3 输出功率、效率、增益在微波输能领域，第一次运用相控天线阵的实验（图4）：汽车车顶安装相控阵，在无燃料飞机下行驶，微波波束指向该飞机（用计算机和从电荷耦合器摄影机上获取的数据来检测目标（飞机）的位置。
飞机上的整流天线阵共有120个整流天线（图5），各元件之间的间隔为0.7波长，在1W的输出直流电源情况下整流天线的效率为61%，该飞机仅适用了相控阵传输的微波能，飞行了大概十米的水平距离。
从整流天线阵最大可获取88W 的直流电源，足以使支撑飞机行驶。
图4 图5在MILAX实验前后，大概有两个MPT实验为飞行目标物提供微波能量，且没运用相控阵系统：1987，固定高空继电器平台实验：飞机宽2.9m，机翼总宽4.5m，传输2.45GHz，10KW 的微波，飞行距离长于150m。
1995，向高空长耐力飞艇传输能力实验：飞艇在离地面35-45m飞行，传输2.45GHz，10KW的微波。
一种用于无线输能的2_45GHz微带贴片整流天线
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。关键
词无线输能整流天线微带贴片转换效率 中图分类号TN822.4 文献标识码A A Microstrip Patch Rectenna with 2.45 GHz for Wireless Po wer Transmission WANG Jiu-ling GUO Qing-gong College of Electronics and Information Engineering Sichuan University Chengdu Sichuan 610064 China Abstract The microwave rectenna is a crucial element in Wireless Power TransmissionWPT system. A rectenna operating at 2.45 GHz is presented. The receiving antenna is an array of two microstrip rectangle patches in series between which two short stubs are adopted to adjust the antenna pattern. The rectifying circuit is a double- voltage circuit with series dual-diodes and the experiment results show that it greatly enhances the input RF power compared with single-diode circuit. When the input RF power is 100 mW the double-voltage circuit achieves a conversion efficiency of 64 so the practical RF-to-DC conversion efficiency is higher. Key words wireless power transmission rectenna microstrip patch conversion efficiency近年来空间太阳 能传输Solar Power Transmission SPT和微波无线输能WPT越来越受到人们的重视 微波整流天线是其中一项关键技术。目前整流天线中接收天线的形式主要有单 极振子天线、平面印刷偶极子天线和微带天线3种形式。微带天线因其具有体积小、 重量轻、接收面积大、极化方式灵活、方便组阵、易集成和易加工等优点近年来 被广泛用于整流天线中接收天线的设计1–5。本文设计了一种工作在2.45 GHz的线极 化二元串联微带矩形贴片阵列作为接收天线采用微带线串联馈电使天线与整流电 路位于同一个平面上单元贴片之间引入的两个短枝节可以调节天线方向图的指 向。这种结构十分方便扩展应用于大型阵列的设计。在以往的整流天线设计中 整流电路多采用单个二极管并联方式1–9。本文选用串联双管组成倍压整流电路不 需要增加额外的元件不会增加电路面积和复杂度电路的输出电压可提高一倍 同时大大提高了二极管整流电路的输入功率。 1 整流天线设计 整?/B>天线由接收 天线、滤波电路和整流电路等部分组成它通过接收天线来接收发射天线发射的微 波束然后经过二极管整流将接收到的微波能转化成直流电能输出。 1.1 接收天 线设计二元串联矩形贴片阵列 工作在2.45 GHz的接收天线光刻在聚四氟乙烯双面 覆铜板基片上基片厚为2 mm介电常数为2.65损耗 角正切值小于0.001导带 铜厚为0.035 mm。如图1天线总尺寸为180 mm×100 mm单元贴片大小为37.5 mm×37.5 mm 收稿日期2007-11-05修回日期2007-12-20 基金项目国家自然科学 基金资助项目60471045 132 信 息 与 电 子 工 程 第6卷 采用微带线串联馈电 端口阻抗为50 ??。两个串联贴片之间的两个短枝节用来调节天线方向图指向。如 图2为2.45 GHz天线方向图的测试结果天线的增益为9.58 dB。 1.2 输入输出滤波
同步发电机整流系统稳定性的数学建模与实例分析_李槐树
与运行于大电网的普通三相同步 发电机不 同 ,同步发电机带整流负载时常存在低频功率振 荡问题 ,且影响因素十分复杂 . 文献 [ 1-6]对同步 发电机整流系统的稳定性进行了分析研究 ,但这 些研究成果并没有完全揭示这类系统 振荡的本
质 ,实践 中发现 ,电机系统的振荡有时 是区域性 的 ,例如在不同的励磁段或不同的负载电流段 ,因 此 ,深入研究同步发电机整流系统的低频振荡问 题、揭示其内在规律 ,是一个十分重要的理论和实 际问题 .
对其他不同参数的整流系统所进行的大量计
· 810·
武汉理工大学学报 (交通科学与工程版 )
( E0 - x 1d Id ) 2 + ( x 1q Iq ) 2 为等效基波相电势幅
图 2 向量图
值 ; W= a rct an [x 1q Iq /( E0 - x 1d Id ) ] 为等效基波 相电势与空载相电势之相位差 .
由于系统的机械惯性远大于电磁惯性 ,因此 , 同步发电机整流系统在微扰条件下的稳定特性主 要决定于各电磁量 ,在忽略直流侧电流中高次谐 波分量条件下 ,整流系统的等效电路如图 3所示 . 图中: ld = ( 2 - 3_ /2π) x c /k为平均漏感系
第 31卷 第 5期 2007年 10月
武 汉 理 工 大 学 学 报 (交与通工科程学版 ) Jo urnal o f Wuhan Universi ty of Techno logy
( T ranspo r ta tio n Scie nce & Engineering )
V o l. 31 No. 5 Oc t. 2007
[ 3sin W+
2_ co sW
+
sin( 2_ + W) - 4si n(_ + W) ]; K qE =
2.45 GHz紧凑型微带整流天线阵列
DOI: 10.11991/yykj.202003012网络出版地址：https:///kcms/detail/23.1191.U.20201202.1409.012.html2.45 GHz 紧凑型微带整流天线阵列李金城，林航，刘长军四川大学 电子信息学院，四川 成都 610064摘 要：为了提升整流天线的微波功率容量与直流输出功率，本文提出了一款基于肖特基二极管的紧凑型微带整流天线阵列，工作频率为2.45 GHz ，采用HSMS-2700肖特基二极管作为整流器件，并采用倍压电路提升功率容量与直流输出功率。
在输入微波功率2 W 时，单支整流电路的最大输出直流功率为0.93 W 。
将整流电路集成到贴片天线后，形成整流天线阵列。
结果表明，天线阵列最大可输出14.03 W 的直流功率，尺寸为217 mm×275 mm×2 mm 。
整流天线阵列结构紧凑，输出直流达到了117.6 mW/cm 3。
关键词：微波无线能量传输；整流天线；功率容量；直流输出；整流电路；肖特基二极管；倍压电路；天线阵列中图分类号：TN455 文献标志码：A 文章编号：1009−671X(2021)02−0008−04A compact microstrip rectenna array at 2.45 GHzLI Jincheng, LIN Hang, LIU ChangjunSchool of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 610064, ChinaAbstract : In order to improve the power capacity and the DC output power of a rectenna, a compact microstrip rectifier rectenna array at 2.45 GHz based on Schottky diode was designed and fabricated. HSMS-2700 Schottky diodes are applied with voltage doubler rectifying circuit to improve its microwave power capacity and DC output power. When the input microwave power is 2 W, the maximum DC output power of a single rectifier reaches 0.93 W. The DC output power of the whole rectenna reaches 14.03 W at most. Its dimension is 217 mm×275 mm×2 mm. The proposed rectenna array iscompact, with DC output power reaching 117.6 mW/cm 3.Keywords: microwave wireless power transmission; rectenna; power capacity; DC output power; rectifier; Schottky diode; voltage doubler; antenna array随着不可再生能源的日益减少，可再生清洁能源的获取问题亟待解决。
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第 １ ９卷 第 ３期
２ ０１ ３ 年６ 月
上海戈 报 （ 自 然科学版）
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｓ ＨＡＮ ＧＨ ＡＩ ＵＮＩ ＶＥＲＳ Ｉ Ｔ Ｙ（ ＮＡ ＴＵＲＡＬ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ ＮＣＥ ）
Ｖｏ １ ．１ ９ Ｎｏ．３
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ＤＯ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ７ － ２ ８ ６ １ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ３ ． ０ １ ０
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王业清， 杨 雪 霞， 江 超
（ 上海大学 通信 与信 息工程学 院， 上海 ２ ０ ０ ０ ７ ２ ）
摘要： 将整 流天线单元等 效为一个直流源和负载 的串联 ， 以此提出 了整流天线 串／ 并联组 阵等 效模 型， 得 到了整流 天线 的组 阵形 式及 最佳负载与 阵元个 数之间 的关系 ． 利用所设计 的低 功率密度应用整 流天线单元， 通过 ＡＤＳ软件 仿真 了二元并联 阵， 并通过 实验测试 了二元 串联 阵与二元并联 阵． 结果显示 ， 并联 阵的仿真 与实验结果及 串联 阵的 实验结果均 与组阵模型基本 吻合 ， 从而验证 了整 流天线组阵模型 的有 效性． 提 出了多元组阵的可行性方 案， 为大规 模 阵列设计提 供指导． 关键词 ：整流天线； 整流天线 阵； 整流 电路； 转换效 率； 等效模型 中图分 类号 ：ＴＮ ０ １ １ 文献标志码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ２ ８ ６ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ — ０ ２ ６ ６ — ０ ５
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄｓ ：ｒ ｅ ｃ ｔ ｅ ｎ ｎ ａ ； ｒ ｅ ｃ ｔ ｅ ｎ ｎ ａ ａ ｒ ｒ ａ ｙ ｓ ； ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｆ ｙｉ ｎ ｇ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ； ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ｅ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ；ｅ ｑ ｕｉ ｖ ａ ｌ ｅ ｎ ｔ ｍｏ ｄ ｅ ｌ
Ａ ｂｓ ｔ ｒ ａｃ ｔ ：Ａ ｒ ｅ ｃ ｔ ｅ ｎ ｎ ａ ｉ ｓ ｅ ｑ ｕｉ ｖ ａ ｌ ｅ ｎ ｔ ｔ ｏ ａ ｓ ｅ ｒ ｉ ｅ ｓ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｏ ｆ ａ ＤＣ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ａ ｎ ｄ ａ ｌ ｏ ａ ｄ ．Ｅｑ ｕ ｉ ｖ ａ ｌ ｅ ｎ ｔ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｏ ｆ ｓ ｅ ｒ ｉ ｅ ｓ