整流天线研究背景.docx

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。
以上两实验，都采用了有微波管的抛物面天线MPT系统。

ISY-METS 火箭实验（1993）图6：在每个仪表板上有2*8=16个天线，采用了和MILAX一样的砷化镓半导体放大器和4-b数字信号相移器

图6（a） 用于实验的展开形状（b）用于发射的折叠形状

20世纪的相控阵
20世纪，主要是日本的SPS委员会进行一些高效率的相控天线阵实验，主要用于SPS的应用。
太阳能无线集成发射器（SPRITZ）如图7：（参数详情见论文）。

图7 图8

1)频率: 5.77-GHz CW
2) 100个圆形微带天线，各单元之间间距0.75波长。
3)右手圆极化
4) 从太阳能电池获得的直流电能 (效率15% ), 大约 166 W;
5) system: 一个高功率放大器one high-power amplifier, 馈电网络（1-100的功分器）, 每个天线配3-b相移器
6) 微波辐射n: > 25 W;
7) 总效率: > 15%;
8) spurious: G_77.5 dBc;
9)为了演示,发光二极管(LED)应该在1-2m的距离 亮
系统效率15%，理论和测量所得的波束图形如图8，波束宽度7.3°，天线增益17.6dBi，等效全向辐射功率58dBm。
MPT相控阵的关键是高效率。
2001，为了获得更高的效率，研发出了一款工作频点在5.8GHz的抛物线天线相控阵（如图9）。

一个DDS/PLL振荡器产生的连续微波功率不低于8W，一个抛物面天线需要三个DDS/PLL，一个相控阵由三个抛物面天线组成，
因此总共有72W，反射器的直径1.2m，增益32.2dB。抛物面天线间距1.25m，抛物面天线相控阵的波束方向可以用suppressing grating lobes控制，

图9

2002，京都大学和日本三棱电机公司研发出一款相控天线阵（图10），具有以下特点：（见论文）
1)频率: 5.77-GHz CW
2)九个圆形微带天线，单元间距0.75波长
3)高功率放大器 of > 2 W and > 51%, respectively
4) HPA: AB型发大器
5) 4-b数字移相器
6) spurious: G_50 dBc at the second and thirdharmonics.
这个相控天线阵由三层组成，分别是接收、相移、传输三部分。相控阵尺寸360mm*360mm*70mm，天线增益为10.8dBi，总重 11 kg，传输天线的辐射效率高于90%，波束宽37°。

图10 图11

图12
2009，为实现高效率、薄相控天线阵的开发项目，目标如下：
1) frequency: 5.8-GHz CW, no modulation;
2) > 70% PAE GaN semiconductor MMIC amplifier(图11);
3) MMIC 5-b phase shifters;
4) G 40-mm thickness phased array (图 12);
5) 120 _ 120-cm2 array;
6) 76 amplifier/phase shifter modules on each panel of a four-panel system (76 _4 ? 304 modules in
the system);
7) four antennas and one module subarray;
8) total power > 1.6-kW CW.

2010年，一种多用途的新型相控天线阵在京都大学安装（如图13），特点如下：
1)frequency 5.8-GHz CW, no modulation;
2) separated module antenna/active circuits system;
3) rigid antenna plane;
4) 256 elements;
5) active phased array with one active circuit for each antenna;
6) 1.5-kW output microwave power;
7) class-F power amplifiers with GaN FETs;
8) > 7-W output of high-power amplifier as a final stage;
9) > 70% power added efficiency in the microwave high-power amplifier as the final stage (Fig. 23);
10) > 40% as total dc-to-microwave conversion efficiency;
11) 5-b MMIC phase shifters;
12) G 30-cm thickness as a universal experimental equipment.
这个相控阵由相控阵设备、波束控制单元、冷却单元组成，波束控制单元由控制单元。个人计算机（PC）、自定向设备组成。整流天线阵系统由整流天线阵、dc/dc转换器。负载、自定向设备组成（图14）。

图14

四、磁控管相控天线阵
磁控管效率高于70%，且成本最便宜。磁控管是高功率发生器，所以它不能控制自身的相位。研究者们研发出一款带有注入锁定和锁相反馈技术。京都大学的研究者改进了PCM（相控磁控管）并在2000年研发出2.45GHz的相控天线阵，这个相控天线阵则用了PCMs。2001年研发出5.8GHz 的相控天线阵，分别是2.45GHz和5.8GHz的空间电能无线传输系统（SPORTS）。SPORTS的特点为：
1) 频率2.45GHz
2) PCMd的输出功率: > 340 W;
3) PCM 效率: > 70.5%;
4) 12个 PCM总的微波功率: > 4 kW;
5) 每个PCM上有5-b数字移相器
6)两种类型的阵列天线：喇叭天线和偶极子天线
7)它包含了一个有400MHz的连续波导频信号的自定向系统在2.45GHz的空间电能无线传输系统（SPORTS-2.45）中，选用了两款天线。
一种是由12个喇叭天线组成的天线阵（12-horn antenna array），这个天线阵功耗低，但是窄波束扫描能力有限，每个喇叭天线的尺寸：192mm*142mm，增益为17.73dBi。该喇叭天线阵的效率很高，但是当改变波束指向时，会出现大量的旁瓣。

图8 喇叭天线阵的波束方向图

另一种是96个偶极子组成的偶极子天线阵，这个天线阵有功分器和1-b的移相器。天线单元之间的间距为0.7波长。为了控制波束但是又不大量产生旁瓣，就采用缩短天线单元之间的距离。PCM的功率太大，不能直接连接小偶极子天线，因此我们需要分割PCM的功率。
5.8GHz-SPORTS
2009年，京都大学用PCM技术成功的完成了一个MPT领域的实验。该实验将110W的PCMs的输出功率，2.46GHz的微波能量从飞艇上传至地面。该实验使用了两个直径72cm的径向槽孔天线，增益为22.7dBi，孔径效率为54.6%。单元之间的距离为116cm。如图9。

图9
京都大学和九州工业大学认为磁控管相控阵是高效率相控阵系统的解决方案之一。
日本的自定向系统
为确保相控阵MPT系统中精确和高效，目标监测是关键的技术。自定向目标监测可用于监测目标和天线的位置，这可用于MPT系统。自定向目标监测和其他目标监测对比，只有前者能监测相控天线阵中目标和天线单元的位置。

二、微波输能中的整流天线
（本文主要讨论了不同整流天线在MPT中的应用，包括整流电路、微波频率、微波功率。）
1、整流电路
世界上第一款整流天线是一款普通的桥式整流器（图1），由W.C Brown在1963年开发出的，工作频率2.45GHz。1964研发出了一款用于无燃料飞机实验中的整流天线，这款整流天线是string-type整流天线，它的输出功率7W，转换效率约40%，使用的是点接触二极管。
Brown研发出的第一款单个分流器（single-shunt）整流天线，brown研发出一款大型的整流天线阵（3.4m*7.2m），在2.388GHz时，从调速管电源传输的微波功率为450KW，获得的直流电源为30KW，整流效率为82.5%。最后brown得出了再2.45GHz时效率为90%的整流天线。

图一 图二
继brown之后，一些令人关注的方法也逐渐用于提高整流天线效率。图2中，全波整流器以0-180°通过天线组合，在这个整流器中，反相微波的组合用于实现全波整流。天线在实现反相中扮演了重要的角色。另外一种方法如图3，应用了0-180°的环形波导混合电路组合。

图3 图4
整流电路中的二极管是非线性元件，所以不能通过调整整流电路的微波输入或接负载的方式来实现匹配并抑制反射。学者提出了三款整流天线。如图4，a: feedback rectenna 。b：feedback rectenna with rat-race hybrid，c：rectenna with direct utilization of reflected microwave（微波反射微波的直接利用），三种天线工作频率2.45GHz。
在本论文中所有整流天线都是用的二极管对微波进行整流，但是popovic教授采用了FET(场效应晶体)整流，如图5.在2.11GHz，效率85%，8-10W的输入功率。

图5
整流天线：更高的频率和双频带
德克萨斯农工大学设计出的一款RF-DC转换效率最高的天线，这款天线工作频点为5.8GHz，当负载在300-500欧姆时，转换效率最高超过80%，在输入功率50mW驻波比1.29。
日本电装公司为电子管内移动机器人研制出了一款14GHz的整流天线。电子管的尺寸决定了频率，在这个项目中采用了单极子天线和倍压器，RF-DC转换效率为39%，14-14.5GHz，100Mw,2K欧姆。
日本京都大学和日本电报电话公共公司合作生产出一款MPT去馈送固定无线接入网。学者研发出了一款24GHz MMIC的整流天线，为了在高频时增加效率，选择F-型的负载作为输出滤波器。该MMIC的尺寸为1mm*3mm，在砷化镓上实现，如图6.在24GHz，负载120欧姆时，对于一个210mW的输入微波信号，该天线的RF-DC的转换效率为47.9%。

图 6
德州农工大学研制了一款35GHz的天线，这个天线子啊100mW和400欧姆时的能量转换效率为39%，研究者们对该天线做了一次修改，将将二极管替代为矩形贴片天线，在自由空间测得在25mW输入功率时天线的效率为60%。
德州农工大学的双频带整流天线（2.45G&5.8G），如图7.

图7
加州大学的三频带整流天线（900M，1.9G，2.4G）,这个天线包含复合左右手传输线技术，
这个整流器是charge-pump 类型，使得每个频点互相独立。
科罗拉多州立大学的2-18G的宽带整流天线，这个天线阵由64个部分组成，使得能接收周围的微波。
各种整流天线：弱电电源和能量采集器
一些弱电电源下的高效率整流天线，使用了一下不同的电路：
1） 电荷泵整流器
2） 使用谐振器的整流器
3） 利用反射波的整流器
4） 有输出滤波器设计的整流器
5） 考虑高次谐振频率的分析模型
电荷泵整流器（如图8）的二极管电压可以被创建（create），但是它的RF-DC转换效率低，因为增加电压需要很多二极管和很多电容。

图8
日本富山大学谐振器整流器（如图9），在900MHz和10uW时RF-DC转换效率为40%，富山大学采用的是L-C谐振器和介质谐振器。

图9 图10
有输出滤波器的整流器如图10（a），在1mW和5.8GHz时效率超过50%。在图10（b），为在2.45GHz和1mW时。
零偏差二极管对微弱微波信号有增强转换效率的潜力，但是目前的转换效率仍然不够高。

Research on solar power satellites and microwave power transmission in japan
19世纪80-90年代研发出自定向能量传输系统，图1是1987日本研制出的有自定向能力的90W能量传输器。这个传输器有7个偶极子天线，它可以根据导频信号的方向自动调节传输微波波束。

图1
如图2，是一种以三分之一传输频率作为导频信号的方式的自定向传输器。这个系统可以根据捕捉到的目标自动波束控制，功率大概80W。功率波束频率为2.445GHz，导频信号815MHz。

图2
PCM和SPORTS的发展
一些设计是基于调速管和行波管的。电子管的特点是高效率（超过70%）以及输出高功率（几百瓦到千瓦），但是