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一种新的具有全极化接收能力的反射无线电力传输能力的整流天线
摘要 - 这篇文章提出了一种全新的具有全无线电力传输应用接收功能的天线。 通过使用双线性极化天线，任意极化的入射波可以在其两个端口被完全收集。 为了与天线一起作为整流天线连接，双输入整流器的设计可以使天线的两个端口提供的射频功率得到有效整流。 在入射波正确极化的情况下，所提出的整流天线在输入功率密度为295.3 W / cm的情况下展现出78％的最大效率。 而且，在相同的功率密度下，无论入射波的极化如何，整流天线的效率始终保持在61％以上。
指数项——圆极化、线性极化、重振子、无线功率传输。
Ⅰ.导言
近年来，人们对无线电力传输（WPT）[1]的研究越来越感兴趣。 在WPT系统中，整流天线（天线和整流器）用作收集事件RF能量并将其转换为直流能量的关键设备。 在大多数WPT场景中，入射电磁波的极化是未知的或随时间变化的。 因此，为了尽可能地收获RF能量，具有极化分集能力的天线是WPT应用程序的首选。
在以前的出版物中也已经提出了许多不同类型的用于WPT应用的天线。 对于大多数天线设计[2][3]，通常采用线性极化（LP）天线。 由于入射波的偏振可能随时间变化，并且收集的功率将基于偏振失配损失而迅速下降，所以这种布置在实践中是有问题的。 对于其他天线设计[4] - [6]，使用圆极化（CP）天线，以便任何LP入射波和左旋圆极化（LHCP）或右旋圆极化（RHCP）入射波都可以接收。 尽管如此，当CP接收器用于接收LP波时，它会遭受众所周知的3-dB极化失配损失。 此外，手稿于2015年8月1日收到；于2015年8月20日被接受。发布日期为2015年9月3日；当前版本的发布日期为2016年3月18日。这项工作得到了中国国家自然科学基金资助的61501243的资助，并得到了授予2014R070的NUIST高级人才计划，以及江苏省高等教育机构的优先学术项目发展。
作者来自南京信息工程大学应用电磁学研究中心，中国南京，210044，电子邮件：sunhucheng@nuist.edu.cn；wgy@nuist.edu.cn。
本文中一个或多个数字的彩色版本可在以下网址查阅： http://ieeexplore.ieee.org.
10.1109 / LAWP.2015.2476345数字对象标识符。
整流天线无法感知反向极化的CP波。 除了单极化天线之外，双极化天线和双圆极化天线已被用于某些天线[7] - [9]，以收集任意极化的入射波。 但是，它们每个都有两个输出直流端口，这可能会导致不便，因为如果入射波的极化改变，则需要在输出直流端口之间进行切换。 最近，提出了仅具有一个输出直流端口的全极化接收天线[9]，[10]。 参考文献[9]采用DCP天线，其设计过程比DLP天线复杂，此外，接收LP波时会发生3-dB极化失配损耗，导致整流天线效率下降。 另一方面，参考文献[10]只关注于整流天线设计方法，因此极化分集接收能力没有得到充分的探索和完善。
在这篇文章中，将为WPT应用提出一种具有全极化接收能力的新型天线。 通过使用DLP天线作为接收设备，所有极化波（任意LP，LHCP和RHCP）的入射电磁波可以在其两个端口完全收集。 所呈现的整流天线是通过将DLP天线与设计的整流器集成在一起而制成的，即使入射波的偏振发生变化，该整流器也可以高效工作。 模拟和测量结果验证了整流天线的性能。 Ⅱ.双线性极化天线
图1显示了DLP天线的背面和侧面图。 采用孔径耦合馈电机构，形成双极化天线，该天线易于制造，并且具有馈电层可以与辐射贴片分离而没有相互作用的优点。 天线由两个基底层组成。 两种基材都是20密耳(mil)厚的Rogers RO4350B基材(, )。 馈线层位于第二基座的背面，而接地层插入两个子基座之间。 在地面层上切割两个H形进料孔，以便可以保持联轴器。 在第一块基板的正面，有一个方形辐射贴片。
图1双线性极化天线的布局
图（a）为天线的后视图，图（b）是天线的侧视图。维： ，，，，，，，，，，，。
图2 在两个输入端口(H端口为端口1,V端口为端口2)中模拟和测量的双极化天线的参数
图2显示了DLP贴片天线的模拟和测量参数。 测量结果和模拟结果之间可以找到很好的一致性。 H和V端口的10 dB回波损耗带宽分别为2.38至2.53 GHz和2.38至2.52 GHz。 两个端口之间的测量隔离度在2.41至2.57 GHz的频率范围内低于20 dB，可以覆盖大部分10 dB回波损耗频率范围。 在2.45 GHz时，得的H端口的峰值增益可以达到7.45 dBi的最大值，而V端口的最大值可以达到7.63 dBi。 因此，两个输入端口之间的增益差异仅为0.18 dB，这对全偏振接收能力有益。
A.线性极化入射波
（a）接收入射波时天线的侧视图。 （b）入射波极化的倾角。
如图3（a）所示，电磁波正常入射在DLP天线的顶部。 假设入射波为LP，其极化方向与平面之间的夹角定义为倾角，如图3（b）所示。 从图1和图2可以看出。 9和11（b）可以在H端口接收最大RF功率。 假设接收功率是，并且在H端口激发的复电压的幅度是，那么我们有
全极化接收机制
（1）
当是50。 同样，在V端口可以接收最大RF功率。 考虑DLP天线是对称的，并且在H和V端口具有相同的峰值增益，则在V端口激发的复合电压的振幅等于。 因此，接收的RF功率是
（2）
当偏振倾斜角是任意的时，E可以沿着 - 和 - 轴分别分解成两个分量。 相应的幅度是和。 结果，在H和V端口激励的电压的幅度将是和。 然后，由H和V端口接收的RF功率的总和可以计算为
（3）
图4 H和V端口的标准化接收功率，以及入射波为LP时H端口接收的功率与V端口接收功率的比值。
因此，无论是何值，H和V端口接收的总功率是不变的。 这意味着任何极化的入射波都可以完全收集在两个端口。 这也可以通过图4所示的测量结果来证明，其中描绘了H和V端口处的归一化接收功率电平。 可以看出，总的接收功率在变化时保持不变。 由于两个端口的增益略微不平衡，总接收功率的最大纹波为0.3 dB。 功率比也绘制在图4中，它被定义为H端口接收功率与V端口接收功率的比值。 可以发现，这个比例可以从0到。 因此，下面的整流器设计应该能够处理所有可能出现的输入功率不平衡的问题。
B.圆偏振入射波
当入射波E是圆极化时，它可以被分解成两个具有沿着 - 和 - 轴的极化的LP波，其具有相等的幅度和同相正交（）。 然后，LHCP或RHCP波可以表示为
（4）
和
（5）
从前面的讨论中可以看出，LP波可以被H和V端口接收而没有极化失配。 因此，LHCP和RHCP波都可以完全由DLP天线收集。 针对于LHCP和RHCP波入射波通过H端口和V端口的接收功率为1。
Ⅳ.整流器拓扑结构调查
如前所述，在WPT操作期间，在DLP天线的两个端口处提供RF功率。 为了纠正双向射频功率，一种有效的方法是将其整合为用于整流的单向射频功率[2]。 然而，由于对于不同的入射波，入射波的双向RF功率的功率比可以从0变化到，所以很难实现这样的射频组合电路。 或者，另一种方法是分别对双向射频功率进行整流，然后将输出直流功率串联或并联。 这里采用这种方法。
图5 （a）单输入整流器。 （b）两个串联的单输入整流器。 （c）两个并联的单输入整流器。
图5(a)给出了常规的并联安装的单二极管整流器。肖特基二极管hsm -2860被指定为D1。通过使用先进的设计系统(ADS)作为目标函数，可以首先对参数L1、L2、C1、C2和R1进行优化。经过优化获得如下参数：L1=12.38nH,L2=32.27nH,C1=0.19pF,C2=343.05pF,R1=850Ω。优化效率直线绘制于图6（a）和（b）中。
图5（b）显示了一个双输入整流器，它是图5（a）中串联的两个相同整流器的组合。 双向输入功率的功率比为。 在不同的值下，整流器的效率如图6（a）所示。 可以看出，当从1增加到时，其效率下降。
类似地，如图5（c）所示，另一个双输入整流器通过并联在图5（a）中组合两个相同的整流器而形成。 其双向输入功率的功率比也是。 从图6（b）中的效率曲线可以看出，当从1增加到10时，效率降低。然而，当它超过10时，效率会增加。
图6 模拟整流器的效率（a）单输入整流器和两个串联整流器（b）单输入整流器和两个并联的整流器。
从图6（a）和（b）的结果比较可以发现，对于一个特定值，并联型拓扑整流器的整体效率比串联型拓扑整体效率要高。 因此，在下面的整流器设计中使用并联拓扑整流器。
Ⅴ.整流天线设计与实验结果
利用前面部分设计的DLP天线和并联拓扑整流器，可以在2.45 GHz频率上轻松获得具有全偏振接收能力的新型整流天线。 其具有详细参数的电路原理图如图7所示。整流天线采用20密耳厚的罗杰斯RO4350B基板制造，其照片以图7中的两个插口提供。整个天线采用LP 入射波由消声室内的标准双脊喇叭天线产生的2.45 GHz的入射波。 在测量中，整流天线的RF-DC功率转换效率可以通过以下公式计算得出
（6）
其中，DLP天线的H和V端口的总功率为电阻，是通过电阻负载测量的输出直流电压。
图7 拟议的整流天线电路原理图
参数是：
W1=W2=W3=W6=1.1mm,W4=1.3mm,W5=W8=W11=1.5mm,W4=1.3mm,W5=W8=W11=1.5mm,W7=0.3mm,W9=2mm,W10=0.5mm,L1=7mm,L2=5mm,L3=8.2mm,L4=6.5mm,L5=L8=L11=4mm,L6=11.1mm,L7=9.5mm,L9=1mm,L10=4,5mm,，。
图8(a)利用不同入射极化倾角，对输入功率密度的整流天线进行测量效率。(b)当输入功率密度为295.3 时，测量效率与倾斜角度。
图8(a)给出了针对输入功率密度与不同入射极化平角的测量效率。当或时，在输入功率密度为295.3 下，最大效率大于65.6%。当输入功率密度相同时，当或，最高效率可以超过77.2%。这个提出的整流天线的优点在图8（b）中更为明显，它表明了当输入功率密度为295.3 时，测得的效率与倾斜角的关系。 可以发现，无论如何，效率总是可以保持高于61％，这表明所提出的整流天线具有全偏振的能力。
* 3-dB PML 意味着接收LP波时发生3-dB极化失配损耗。
** MB Eff 意味着最大底部效率。 在固定的输入功率密度下，各种入射偏振倾角的最小效率是最低效率。 对于不同的输入功率密度，最高的底部效率是MB Eff。
Ⅵ. 结论
这篇文章中提出了一种具有全极化接收能力的全新天线。 首先，设计一个2.45 GHz的DLP天线，根据该天线，所有极化的入射波可以完全由其两个端口接收。 然后，引入双输入整流器将天线接收到的RF功率转换为直流功率。 通过将DLP天线与整流器集成，然后形成整流天线。 在输入功率密度为295.3 的情况下，无论入射波的极化如何，整流天线的效率始终高于61％。 所提出的整流天线策略可以容易地用于WPT应用中，其中入射电磁波的极化是随时间变化的。
参考
- W. C. Brown, “The history of power transmission by radio waves,”
IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. MTT-32, no. 9, pp. 1230–1242, Sep. 1984.
-
U. Olgun, C.-C. Chen, and J. L. Volakis, “Investigation of rectenna array configurations for enhanced RF power harvesting,” IEEE An-tenna Wireless Propag. Lett., vol. 10, pp. 262–265, 2
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