小功率無線輸電實(shí)驗(yàn)裝置研制

申世軍，李曉寧

(成都電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，四川 成都 611731)

微波輸電是近幾年各機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)，無線輸電對(duì)于新能源的開發(fā)和利用、解決未來能源短缺等問題有重要意義[1-5]。微波輸電系統(tǒng)包括發(fā)射端與接收端。微波電能傳輸?shù)囊话氵^程是，利用射頻信號(hào)源將直流電轉(zhuǎn)換成微波信號(hào)，即DC—RF，經(jīng)過功率放大器(多級(jí))將微波功率放大后輻射至自由空間，再由整流天線接收微波能量并整流，為負(fù)載提供直流電能。故DC—RF并將功率放大與整流天線是微波輸電的重要關(guān)鍵技術(shù)[6]。

為了讓學(xué)生更好地了解到無線輸電的技術(shù)發(fā)展，以及培養(yǎng)學(xué)生對(duì)無線輸電的興趣愛好，設(shè)計(jì)了一套微波無線輸電系統(tǒng)，本系統(tǒng)包括DC—RF部分加上功率放大器與發(fā)射天線的發(fā)射端，與RF—DC的整流天線的接收端。此系統(tǒng)將用于本科生的演示實(shí)驗(yàn)中。

1 微波輸電系統(tǒng)的發(fā)射端設(shè)計(jì)

微波輸電的發(fā)射端包括：將直流變換為微波信號(hào)的頻率合成器；將微波信號(hào)功率放大的功率放大器；將微波發(fā)射到空間中的聚焦喇叭發(fā)射天線。圖1為微波輸電系統(tǒng)發(fā)射端示意圖，其中MSP430是頻率合成器的控制電路。

1.1 頻率合成器的電路及參數(shù)設(shè)計(jì)

選用ADI公司的ADF4360系列芯片作為頻率合成器的主要芯片，是一款性價(jià)比很高的內(nèi)部集成VCO的鎖相芯片，外接環(huán)路濾波器即可構(gòu)成一個(gè)性能穩(wěn)定的頻率合成器。

設(shè)計(jì)中使用軟件ADIsimpll，Altium Designer，及IAR Systems來進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、仿真及程序燒寫工作。在設(shè)計(jì)電路之前需要確定鑒相頻率與環(huán)路濾波電路的帶寬，這2個(gè)參數(shù)影響頻率合成器抑制噪聲與雜散的性能。

鑒相頻率越高,頻率合成器的分頻數(shù)就越低,則帶內(nèi)相位噪聲就越少,但是可選的頻點(diǎn)也就越少。開環(huán)帶寬的選擇需要在雜散程度與鎖定時(shí)間之間進(jìn)行取舍。在較小的回路帶寬情況下,雜散也較小,但是鎖定時(shí)間較慢。在較大的回路帶寬情況下,鎖定時(shí)間較快但雜散較高[7]。實(shí)際應(yīng)用中環(huán)路的帶寬選擇為小于等于鑒相頻率的10%，系統(tǒng)總相噪為：

PNtotal=PLsysth+10logFped+20logN

(1)

式(1)中，PNtotal為系統(tǒng)總相噪，PLsysth為頻率合成器自身相噪，10logFped為與鑒相頻率有關(guān)的噪聲增量，20logN是一個(gè)與主分頻N有關(guān)的噪聲增量[8]。由于設(shè)計(jì)中不需要多快的鎖定時(shí)間，故環(huán)路帶寬選擇20kHz，鑒相頻率選擇1MHz，據(jù)芯片資料及公式計(jì)算后得到距離基準(zhǔn)頻率(1kHz)的地方的電路總相位噪聲為-132.9dB。

環(huán)路濾波器選擇無源三階濾波器(2R3C形式)，使用AD公司提供的ADIsimpll確定濾波器2R3C的參數(shù),選擇芯片類型ADF4360-0確定輸出頻率(2.45GHz)與鑒相頻率(1MHz)，選擇環(huán)路濾波器類型(2R3C)及帶寬(20kHz)后進(jìn)行仿真。仿真計(jì)算后得到環(huán)路濾波器的各電阻、電容值:C1=680pF，C2=10nF,C3=330pF,R1=2.4kΩ,R2=5.1kΩ。

ADIsimpll仿真得到的頻率f-時(shí)間t曲線，及濾波器輸出相位誤差Δφ-時(shí)間t曲線見圖2所示?？梢钥吹?時(shí)間t>100μs后輸出頻率穩(wěn)定在2.45GHz，t>200μs后相位誤差為零。

圖2 ADIsimpll電路仿真曲線

ADF4360-0外部晶振選用高穩(wěn)定度有源晶振，為ADF4360芯片提供10MHz的參考頻率，晶振應(yīng)接在芯片的參考時(shí)鐘輸入引腳CLK_ref。由單片機(jī)控制ADF4360芯片鎖存器，ADF4360的3個(gè)引腳分別為LE、Data和Clock。

使用固緯頻譜分析儀GSP-827對(duì)本文設(shè)計(jì)的頻率合成器進(jìn)行測(cè)試，將其輸出接口通過一個(gè)40dB的同軸衰減器，經(jīng)轉(zhuǎn)換接頭接入頻譜儀測(cè)量接口，測(cè)量得到的射頻信號(hào)曲線如圖3所示。

圖3 頻率合成器測(cè)量結(jié)果

由測(cè)量曲線圖可知，此頻率合成器實(shí)現(xiàn)了2.45GHz的射頻信號(hào)輸出，經(jīng)過40dB衰減后電壓幅度達(dá)到了77.0dBμV左右，即合成器的輸出功率達(dá)到-9dbm左右，相位噪聲及其他參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

1.2 功率放大器電路及參數(shù)設(shè)計(jì)

為了降低設(shè)計(jì)難度，我們使用單片集成功放芯片ERA-5SM與ADL5606來設(shè)計(jì)功率放大器。在設(shè)計(jì)中使用ADS2009進(jìn)行原理圖仿真及AltiumDesigner進(jìn)行PCB版圖設(shè)計(jì)[9]。

ERA-5SM是Mini-Circuits公司的功放芯片，采用四引腳貼片式封裝，工作頻率區(qū)間為0Hz～4GHz，在2.45GHz時(shí)的典型增益為16dB，P1dB(最后功率輸出)為18.4dBm，電壓駐波比為1∶1.3,最大電流為120mA。

ADL5606是ADI公司生產(chǎn)的16引腳LFCSP封裝的單片集成功放芯片，工作頻率為1.8GHz～2.7GHz，單電源5V供電，典型工作電流362mA，增益23.8dB，P1dB為30.7dBm。

利用ADS的HB仿真控件在頻率段1GHz～3GHz內(nèi)對(duì)電路進(jìn)行掃描仿真，仿真結(jié)果如圖4。2.45GHz信號(hào)經(jīng)過功率放大器后所得功率為30.711dBm。

圖4 功率放大器的功率-頻率仿真曲線

由于單片集成的功放不需要外加阻抗匹配，故PCB的設(shè)計(jì)簡單得多，只需要注意信號(hào)的走線即可。由于AltiumDesigner設(shè)計(jì)PCB要比ADS方便，并且此功放電路含有S2P文件沒用辦法在ADS中進(jìn)行l(wèi)ayout與原理圖聯(lián)合仿真，所以我們?cè)贏D.10中設(shè)計(jì)PCB再生成dwg文件并導(dǎo)入ADS中進(jìn)行完善。在焊接LFCSP封裝的ADL5606時(shí)，要確認(rèn)引腳不要虛焊，選用適用專業(yè)的熱風(fēng)槍、恒溫烙鐵及焊錫漿，經(jīng)調(diào)試后，功放電路參數(shù)性能與仿真數(shù)據(jù)基本符合。

2 微波輸電系統(tǒng)的接收端設(shè)計(jì)

接收端包括整流天線、匹配電路與負(fù)載。由整流電路、濾波器、微帶天線組成微帶整流天線，這種接收天線和整流電路相結(jié)合，用來將微波轉(zhuǎn)換為直流電平的技術(shù)通常稱為整流天線技術(shù)[10]。

2.1 矩形微帶天線的設(shè)計(jì)

將接收天線等效為內(nèi)阻為Rs的電壓源Vs，加入輸入濾波器與輸出濾波器，并使用單個(gè)理想整流二極管并聯(lián)的閉環(huán)整流天線電路模型見圖5[11-12]。

圖5 單整流二極管的整流天線模型

矩形微帶天線一般有側(cè)饋與背饋兩種饋電方式，就本文的整流天線來講，側(cè)饋是比較方便的方式。本文使用板材為RogersRO4350B(板材的介電常數(shù)為3.8)，但是板材經(jīng)過刻蝕后介電常數(shù)將會(huì)發(fā)生變化，故取其介電常數(shù)經(jīng)驗(yàn)值為3.3，厚度h=0.762mm，使用微波頻帶為2.45GHz，將此3個(gè)數(shù)參數(shù)值代入以下公式計(jì)算矩形微帶天線的幾何尺寸[13]：

(2)

(3)

0.358 mm

(4)

(5)

式中，W為微帶線寬度，εe為有效介電常數(shù)，ΔL為邊沿電容引起的邊沿延伸，L為微帶線的長度。

饋線的幾何尺寸由ADS2009的計(jì)算工具LinCalc計(jì)算，設(shè)置好各參數(shù)后得饋線寬度為1.767mm，長度為35.96mm。但是在隨后的設(shè)計(jì)過程中涉及匹配電路，所以饋線的長度在此處可以任意選取，饋線過長會(huì)影響天線的體積，故本文選取饋線長度為6mm。

使用ADS2009的Layout功能建立微帶天線的模型，進(jìn)行版圖初步仿真，仿真之后得到的S曲線發(fā)現(xiàn)中心頻率的發(fā)射系數(shù)S11比較大，輸入阻抗為Z0×(0.227～j0.000 098)Ω，需要在原理圖中進(jìn)行天線匹配，將所得阻抗等效為一個(gè)電阻和電容的串聯(lián)，匹配優(yōu)化后的微帶天線輸入阻抗Zin=Z0×(1.077+j0.117)Ω=(53.85+j5.85)Ω，匹配效果良好。Z0為微帶線的特性阻抗，本文Z0=50Ω。

2.2 整流二極管及匹配電路設(shè)計(jì)

本文使用的二極管為HSMS-282B，SOT323封裝。首先對(duì)二極管進(jìn)行掃描，確定在要求的輸入功率下二極管反向電壓不會(huì)超過最大反向電壓15V。使用諧波平衡控件HB、大信號(hào)仿真控件LSSP及參數(shù)掃描控件PARAMETERSWEEP對(duì)二極管的電壓-功率掃描，負(fù)載為300Ω，掃描結(jié)果顯示輸入功率Pin=-4dBm～2dBm時(shí)，二極管側(cè)最大反向電壓0.305～0.475V左右，滿足器件要求。同時(shí)控件Zin1=zin(S11,PortZ1)計(jì)算出Pin=-4dBm時(shí)系統(tǒng)的輸入阻抗為Zin=(46.633～j244.508)Ω，需要對(duì)此進(jìn)行阻抗匹配。選擇DA-SSMatch加入電路中，添加S-PARAMETERS控件。2個(gè)Term端口設(shè)置如下：將輸出端口Term2特性阻抗設(shè)置為(46.633～j244.508)Ω。使用“大信號(hào)”與“諧波平衡”控件對(duì)DA-SSMatch進(jìn)行掃描仿真，但是此處將PORT1輸入功率定為-4dBm，PORT1頻率為Freq[1]。大信號(hào)掃描參數(shù)為頻率Freq[1]=2.45GHz～3GHz。

將仿真優(yōu)化后的匹配電路加入系統(tǒng)電路中，將輸入濾波器用理想低通濾波器代替。輸出濾波器可以使用1/4波長微帶線加電容來設(shè)計(jì)，頻率為2.45GHz的1/4波長為30.6mm，電容值選100pF。仿真結(jié)果如圖6顯示。頻率為2.45GHz、Pin=-5dBm時(shí)系統(tǒng)的S(1，1)=-20.343dBm，而系統(tǒng)輸入阻抗Zin=Z0×(0.958+j0.043)Ω，已經(jīng)非常接近理想的50Ω，匹配效果比較理想。

圖6 整流二極管匹配電路仿真Smith園

2.3 輸入低通濾波器設(shè)計(jì)

本文采用簡單的高低阻抗方式設(shè)計(jì)低通濾波器，原理圖中2個(gè)Term端口的特性阻抗均為理想的50Ω。設(shè)計(jì)低通濾波器時(shí)使用的微帶線較多，對(duì)此類的原理圖設(shè)計(jì)，我們使用目標(biāo)函數(shù)控件OPTIM及3個(gè)GOAL控件來實(shí)時(shí)調(diào)整各段微帶線長度，以滿足本文對(duì)低通濾波器的設(shè)計(jì)要求。500次優(yōu)化協(xié)調(diào)之后的結(jié)果見圖7。由結(jié)果可見，頻率為2.45GHz時(shí)dB(S(1，1))=-29.682，dB(S(2,1))=0;頻率為4.05GHz時(shí)dB(S(1,1))=0，dB(S(2,1))=-12.747，均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 低通濾波器仿真結(jié)果

2.4 整流天線系統(tǒng)仿真及版圖制作

在設(shè)計(jì)完成微帶接收天線、輸入濾波器、二極管整流電路、輸出濾波器之后，需要進(jìn)行整流天線的整體仿真與分析。由整流天線系統(tǒng)的原理圖仿真結(jié)果可知，Pin=-5dBm時(shí)，S(1,1)=-35.999dB，輸入阻抗Zin=Z0×(0.972+j0.014)Ω=(48.6+j0.7)Ω，根據(jù)匹配好的原理圖來設(shè)計(jì)PCB版圖，使用ADS2009特殊功能原理圖與版圖仿真所得結(jié)果如圖8所示。

圖8 原理圖與版圖仿真曲線

圖9為整流天線的實(shí)物圖。出于對(duì)電路板性能的考量，沒有在電路板上鍍錫或者組焊層，為了測(cè)試方便在整流天線末端加入了一個(gè)插針作為直流輸出引腳，在整流天線背面焊接一個(gè)插針作為接地引腳。

圖9 微帶整流天線實(shí)物圖

3 微帶整流天線系統(tǒng)測(cè)試

微帶整流天線系統(tǒng)的測(cè)試使用的器件有：臺(tái)式電腦一臺(tái)、MSP430最小系統(tǒng)(信號(hào)源控制電路)、ADF4360射頻信號(hào)源、驅(qū)動(dòng)級(jí)功率放大器模塊(將功率放大至20dBm)、矩形喇叭發(fā)射天線、整流天線模塊、300Ω負(fù)載、固緯雙通道直流電壓源GPS-2303C、固緯頻譜分析儀GSP-827及其附件、標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形天線、同軸線纜及轉(zhuǎn)接頭、萬用表等，連接方式見圖10。在距離喇叭天線大約10cm的地方放置整流天線，用萬用表測(cè)量負(fù)載最大直流電壓為0.325V。根據(jù)遠(yuǎn)區(qū)傳輸?shù)母道锼构接校?/p>

圖10 整流天線測(cè)試連接圖

(6)

(7)

式中，Pr為接收整流天線接收到的功率，Pt為發(fā)射天線發(fā)出的總功率，Gt為發(fā)射天線的功率增益，Gr為接收天線的功率增益，λ0為真空波長，R是位于發(fā)射天線的遠(yuǎn)區(qū)的發(fā)射和接收天線間的距離，η為總體接收整流效率，PDC為直流輸出功率。VDC為直流輸出電壓，RL為負(fù)載阻值。得到整流天線的效率為

4 結(jié)束語

根據(jù)上述原理和實(shí)驗(yàn)條件制作了小功率微波輸電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，將直流電能經(jīng)過頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成2.45GHz的微波信號(hào)，再通過功率放大器將功率放大至20dbm，由聚焦喇叭天線向空間發(fā)射，整流天線接收空間中微波信號(hào)，并將其整流為直流電平供給負(fù)載，且整流效率為63.4%。

通過該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)演示，將收到以下實(shí)驗(yàn)效果：

(1) 使學(xué)生明白微波也可以作為電能的載體，不僅僅是傳輸信號(hào)而已，從來開闊了學(xué)生的視野，豐富了學(xué)生的知識(shí)；

(2) 使學(xué)生對(duì)微波輸電的一般過程有初步的了解，引起學(xué)生對(duì)微波輸電的興趣，激發(fā)學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力等，增加學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)課程的積極性；

(3) 通過對(duì)微波輸電作用的講解和演示，學(xué)生會(huì)明白微波輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，及微波輸電在未來能源輸送中的重要地位。

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