毫米波高转换效率整流天线与阵列的设计理论与实现方法研究

Millimeter-wave wireless power transmission is the potential main power resource for lots of remote systems, such as the distributed reconfigurable satellite systems, near space airships, wireless sensor networks and the miniaturized wireless devices, and is becoming the research hotpoint in the wireless power transmission and millimeter-wave technologies areas worldwide. The fundamental design principles and techniques of Ka-band rectennas and rectenna arrays are studied in this project. The co-simulation optimization methods in frequency-domain and time-domain are proposed for analyzing and designing rectennas. Taking the advantage of the miniaturization of microwave circuits and antennas in millimeter-wave, the novel Fabry-Perot resonator printed antennas and FSS (frequency selective surface) covers are applied to design the rectennas. The receiving antennas gain will be improved and the band-pass filters could be omitted in the rectenn components by using the Fabry-Perot resonator antennas and FSS covers. The high millimeter-wave to direct current conversion efficiencies of the rectennas and arrays would be achieved by above co-simulation optimization design principle and the novel techniques of Fabry-Perot resonators and FSS. Further more, using the high focus characteristic of millimeter-wave antennas with high gain, the co-optimiztion method of rectenna arrays based on the transmitting antenna with high focus characteristic are investigated. The study results will establish the strong theoretical and experimental foundations for applying the millimeter-wave wireless power transmission technology in the national space technologies, and developing this technology towards the industrialization.

毫米波无线输能是为分布式可重构卫星系统、近空间飞行器、无线传感器网络和不断小型化的无线终端供能的重要手段，已成为国际上无线输能和毫米波技术领域的研究热点。本项目重点研究Ka波段整流天线和阵列高转换效率的基本设计理论和实现方法，分别在频域和全时域内实现整流天线的协同优化；充分利用毫米波段天线和微波电路小型化的特点，将新兴的Fabry-Perot谐振器平面印刷天线和FSS（频率选择表面）覆盖层用于整流天线和阵列设计，不仅可提高接收天线增益，而且免去整流天线组成中的带通滤波器。通过优化设计理论和具体实现技术两方面来提高整流天线和阵列的"毫米波-直流"转换效率。本项目还利用毫米波高增益天线的高聚焦性能，研究基于高聚焦发射天线的整流天线协同优化方法。本项目的实施为毫米波无线输能技术在我国空间技术的应用和向产业化方向发展提供理论和实验基础。

毫米无线波输能技术具有系统收发设备体积小、重量轻的优点，不仅可用于空间可重构卫星无线和近空间浮空器供电，而且在诸多医疗、工业监测传感器和小型化终端上具有应用前景。本项目在全时域和频域研究Ka波段整流天线单元、阵列和系统优化设计理论与方法，取得如下研究进展。第一，高“毫米波-直流”（MMW-DC）转换效率整流天线研究。提出基于HFSS-ADS软件仿真频域协同优化方法和基于FDTD的全时域的“整流电路-天线”优化设计方法，以及二极管毫米波输入阻抗测试方法；基于F-P谐振器和FSS提出三款具有谐波抑制功能的圆极化、双极化和低剖面高增益35GHz天线，以及宽频高增益Vivaldi和SIW背腔缝隙耦合贴片35GHz天线；所设计的Ka波段并联型F-P圆极化整流天线，在77.3mW输入功率时MMW-DC效率达到63.8%；超材料加载Vivaldi缝隙整流天线，在10mW/cm2的低输入功率密度时，MMW-DC转换效率35%。第二，研究了整流天线阵列设计拓扑结构和综合优化设计方法。提出根据用电设备负载来设计整流天线阵的方法，从而提高MMPT系统效率；所设计的2元Vivaldi整流天线阵，当功率密度为26.5mW/cm2时，并/串联二元阵的输出直流功率分别为17.3/17.4mW，整流效率分别为43.3%和43.5%；所设计的2×2元SIW缝隙耦合整流天线阵，当功率密度为29mW/cm2时，输入功率17dBm，整流效率最大56.3%。理论和实验表明SIW缝隙耦合整流天线阵随着阵列的增大其线性度良好，当功率密度分别为29mW/cm2时和为10mW/cm2时， 4×4、8×8和16×16元整流天线阵的效率分别为48.2%、43%、37.2%和40%、36%、31%。第三，MPT系统效率优化。以最大微波波束捕获效率（BCE：Beam Capture Efficiency）为目标，对MPT系统中发射天线口径的激励电平分布进行了分析，通过求解广义特征值问题，获得了最佳电平分布。第四，提出多种宽输入功率、多/宽频等高性能整流天线。本项目的整流电路、整流天线、整流天线阵列和MMPT系统研究成果当属世界先进水平，为我国毫米波无线输能技术在空间、国防、医疗和工业传感器等应用方面奠定坚实的理论和实验基础。