2016年第2期空间电子技术SPACE ELECTRONIC TECHNOLOGY1微波整流天线研究进展0付文丽，董士伟，董亚洲，王颖(中国空间技术研究院西安分院空间微波技术国家级重点实验室，西安710000)摘要:整流天线是微波无线能量传输和环境能量收集的关键技术之一。
文章对整流天线的应用场景作了概述，介绍了微波整流天线的主要组成及各部分的作用和特点。
综述了国内外对整流天线的研究热点和研究现状，讨 论了整流天线的应用前景和发展方向。
关键词：微波能量传输;整流天线；能量转换效率D O I：10. 3969/j.issn. 1674-7135.2016.02.001Development of Microwave RectennasF U W e n-li，DONGShi-wei，D O NG Y a-z h〇u，W A N G Y i n g(China Academy of Space Technology ( Xi, an) , National Key Laboratory ofScience and Technology on Space Microwave，Xi’an 710000, China)Abstract :Rectenna is one o f the key modules in microwave wireless power transmission and ambient energy harvesting systems. Firstly applications of r ectennas are reviewed with main components of rectenna module and their functions and characteristics investigated Secondly,development h istory and recent advances of rectennas are summarized. Finally,the application prospects and development direction of rectennas are discussed.Key words ：Microwave power transmission ； Rectenna ； Power conversion efficiency〇引言近年来，微波能量传输（M P T)在国内外受到越 来越多的关注。
M P T技术是空间太阳能电站最核心 的关键技术，此外，M P T技术还可应用于为平流层飞 艇和无人机等高空飞行器供电，对微小型机器人、传 感器网络、射频识别（R F I D)等系统进行能量补给。
整流天线作为微波能量传输的主要部件，是目前研 究的热点之一。
不同的应用场景对整流天线有不同 的要求，例如，对于为高空飞行器供电的整流天线，除要求其具有较高的能量转换效率之外，还要具有 较小的体积和重量，并且在大角度范围内保持高效 率;而对于传感器网络和射频识别等系统，则要求整 流天线体积更小便于集成，这样整流天线需要工作 于更高的频率，则能量转换效率势必会有所下降。
文章对整流天线的基本构成与特点、国内外对 整流天线的研究热点和现状、整流天线的应用和发 展前景作较为全面的概述。
1微波整流天线的构成与特点微波整流天线的目的是将天线接收到的微波信 号转换为直流，同时要求其具有较高的能量转换效 率与低纹波电压。
整流天线主要由接收天线、预整 流低通滤波器L P F、整流器件（一般为某种形式的二 极管）和输出直通滤波器组成，如图1所示。
接收天线的主要作用是收集尽可能多的微波能 量并将该能量送入预整流低通滤波器。
天线设计过 程中主要考虑的因素包括:工作频段的增益方向图、驻波、效率、功率容量、体积重量等。
天线形式可以①收稿日期:2015-10--2;修回日期:2015-11-17。
基金项目：国家重点实验室基金（编号:9140A20090314HT05310;9140C530203140C53232) 作者简介:付文丽（1988—）硕士,工程师。
研究方向为空间微波通信转发技术。
2空间电子技术2016年第2期是半波偶极子、喇叭天线、抛物面天线和微带天线 等，具体的选择视应用场合而定，例如对于无人机上 的接收整流天线，应具有尽可能高的功率质量比。
接收天线图1整流天线框图Fig. 1 Block diagram of rectenna预整流低通滤波器l p f主要有三方面的作用：首先，保证进人整流电路的信号频率不高于整流电 路工作频率;其次，防止由于整流器件非线性/-IZ特 性产生的高次谐波分量再次辐射，这样一方面减少 了对其他设备的干扰，另外一方面减小了整流天线 的能量损耗，从而提高其能量转化效率;此外，l p f 还可以为天线提供恒定的负载阻抗，实现接收天线 与整流电路之间的匹配。
整流器件是整流天线的核心，一般为某种形式 的二极管或晶体管。
二极管的主要性能参数包括: 功率处理能力、最大开关速度、/-F特性、工作频段的 阻抗、前向偏置电压、最大反向击穿电压、饱和电流 和效率等。
直通滤波器的作用是提取直流分量，而将其他 频率的信号反射回整流二极管，由于实际中无法实 现理想的低通滤波器截止响应，因此还是会有一些 低频分量会出现在整流天线的输出端，具体表现为 直流电压的纹波。
2微波整流天线研究现状2.1国外的研究对整流天线的研究是伴随着微波能量传输技术 的提出开始的。
I960年，Bro w n最早提出了整流天 线这个概念，并且实现了第一个工作于2. 45G H z的整流天线，该整流天线由28个半波振子构成，每个 振子末端接了由半导体二极管构成的桥式整流电 路，输出功率7 W，估算得到的效率约为40%[1。
随 后的几十年中，整流天线的转换效率和工作频率不 断提高。
1977年，美国雷神公司B i l l Brown设计了 一个由条状的铝质偶极子天线和一个肖特基势垒二 极管构成的整流天线，在2. 45G H z输人功率为8W 的条件下得到了 90%的转换效率[2]。
在研究单频率整流天线的同时，科家们也将目光转向双频整流天线。
2004年，美国科罗拉多大学 Joseph A等人研制出一款印制在柔性材料上，可同 时工作于2.45G H z和5.8G H z两个频段的圆极化整 流天线[]，如图2所示，该整流天线的增益为20dBl，其效率在X波段可达到60%。
图2双频段圆极化整流天线阵Fig. 2 Dual-band circularly polarized rectenna array当微波能量传输用于空间远距离供能时，提高 微波频率可以有效地减小收发天线尺寸，从而实现 系统小型化。
207年，Taxes A&M大学K Chang等 人制作了一款工作于35G H z的整流天线[]，当接收 天线接收到的功率密度为30m W/c m2时，转换效率 为35%，x2阵列和2 x2阵列负载端直流电压分 别为 0.45V和 1.73V。
通常一个整流天线单元无法得到所需要的直流 功率，因此需要对整流天线单元进行组阵。
2011 年，俄亥俄州立大学U.Olgun等人比较了射频合成 和直流合成两种不同整流天线组阵方式（如图3所 示）的R F-D C转换效率[5]。
对于射频合成方式，由于整流二极管一般在输人功率较高时具有更高的整 流效率，因此能够在主波束附近收集更多的能量;而 对于直流合成方式，由于每个整流电路与天线单元 ----对应，因此对人射波角度不是很敏感。
P R F(a)R F合成(b)D C合成图3整流天线阵列不同合成方式示意图Fig. 3Schematics of the rectenna array configurations2016年第2期付文丽，等:微波整流天线研究进展31001000Load Resistance/^图6 RF-DC-DC 电路效率与负载电阻关系曲线Fig. 6 Profiles of efficiency versus load resistanceof RF-DC-DC circuit为了解决整流天线在低输入功率情况下效率较 低的问题，203年，日本佐贺大学T M a t s u m g a 等人 提出了一种差模整流天线，如图7所示。
当接收功 率密度低至0.04W /m 2时，能量转换效率仍然高达 37.1%。
同时，他们提出的这种整流天线结构很容 易进行大规模组阵，且整流效率不会下降[11]。
在能量与信息协同传输系统中，整流天线接收 到的信号将不再是单纯的连续波信号，而是某种形 式的调制信号。
2014年，日本京都大学N Shimham 等人通过实验测试的方法对调制信号和连续波信号 的整流效率进行了比较。
测试结果表明，在频率为 24G H z 时F 类M M I C 整流天线（如图8所示）在连续 波输人时的整流效率为47. 9%，同时对16Q A M 和O F D M 两种调制信号作为输人时的整流天线性能迸行了测试，连续波信号和两种调制信号的R F -D C 转 换效率几乎相同，但两种调制信号的反射比远大于 连续波信号[2]。
通常整流天线阵列的能量转换效率明显低于单 元转换效率。
2013年，日本京都大学H K a m o d a 等 人研究了互耦对用于能量收集的整流天线阵列的影 响[10]，分析比较了不同天线单元（半波偶极子和环 形天线）和单元间距的性能，由于互耦效应的存在， 使得整流天线收集到的D C 能量大小与接收角度密 切相关。
当单元间距为0.7A 或0.8A 时，偶极子和 环形天线均能在侧射方向获得最大的D C 功率。
然 而，当需要在任意接收方向获得足够的功率时，单元 间距应为0. 8A 或更大。
目前报道的大部分整流天线都是采用肖特基二极管作为整流器件。
2012年，美国科罗拉多大学MRoberg 等人首次分析了采用晶体管作为整流器件的整流电路可行性[6]。
同年，T Reveymrnd 等人对采用G a N H E M T 器件设计的逆F 类放大器和整流电路进行了测试，其中整流电路测试框图如图4所示。
结 果表明，谐波控制类功率放大器可以工作于整流模式，功率放大器和整流电路效率在2. 14G H z 时均大 于 80%[7]。
Active LoopVPassiveTunerV a oV D DDUT4-Channel ReceiverSWAP图4功率放大器用作整流电路时的测试框图 Fig. 4 Measurement setup for the rectifying circuit为了解决整流电路效率会受负载和输人功率影 响的问题，日本京都大学Yong H u a g 等人于213 年提出了包括R F -D C 整流电路和D C -D C 变换器的R F -D C -D C 电路[]，设计了一个具有恒定输入阻抗的Buck-Boot 变换器用来匹配整流天线的最佳负载 值，如图5所示。