基于相控陣天線的微波輸能實驗教學系統設計與實現

傅世強, 李嬋娟, 房少軍

(大連海事大學 國家級電工電子實驗教學示范中心, 遼寧 大連　116026)

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基于相控陣天線的微波輸能實驗教學系統設計與實現

傅世強, 李嬋娟, 房少軍

(大連海事大學 國家級電工電子實驗教學示范中心, 遼寧 大連116026)

為了跟蹤技術前沿,讓學生更好地掌握相控陣天線原理和微波無線能量傳輸技術,提出了在微波技術與天線課程中增加相控陣天線和微波輸能方面的綜合創新性實驗教學方案,研制了基于相控陣技術的微波輸能實驗教學系統。該系統工作于ISM開放頻段2.45GHz,由發射端的十六元天線陣和波束控制網絡，以及接收端的四元天線陣和微波整流電路組成,采用模塊化設計思路,具有實驗原理清晰和實驗現象直觀的特點。實驗方案的設計具有創新性環節,以各單元模塊的設計、仿真、制作、測試為基礎過渡到系統集成,利于培養學生的綜合能力和創新精神。

相控陣天線； 微波輸能； 模塊化設計； 實驗教學

隨著科學技術的不斷提高,無線通信終端設備正朝著頻率越來越高、功能越來越強、功耗越來越低的方向發展,由此帶來了天線和射頻微波電路技術人才的需求,出現了天線和射頻工程師短缺的狀況?！拔⒉夹g與天線”和“射頻電路設計”是培養天線和射頻工程人才最重要的課程,由于該類課程公式繁雜、內容抽象,且工程性和實踐性較強,因此實驗教學在課程教學中發揮著重要作用[1]。為了節約實驗成本,采用計算機虛擬現實的輔助教學方法[2-4]雖然可以提高學生的學習興趣,但不利于加深學生對課程理論內容及實際應用的理解,且不具備創新性。設計出具有創新設計性的實驗是射頻微波與天線實驗教學面臨的一個挑戰。文獻[5]提出了一套與企業產品開發流程相一致的工程化實驗教學方案,包含設計、仿真、制作和測試等實驗環節,讓學生全程自己動手設計和制作射頻電路器件,大大增加了學生自主創新的空間。文獻[6]提出一套射頻微波與天線類課程綜合創新性實驗教學系統,不僅設計思路模塊化和形象化,而且實驗內容更具設計性,應用于實驗教學取得了滿意的效果。

為了適應現代相控陣雷達的新發展需求[7],相控陣天線的實驗教學逐漸受到了重視。由于相控陣系統復雜且成本高,多數高校使用仿真軟件來模擬相控陣天線的實現過程[8],或者基于實驗測量并利用計算機軟件開發相控陣天線實驗系統[9]。這些實驗系統確實能夠提高學生對相控陣的理解,但實驗內容不具備設計性,并且與實際工程存在一定的脫節。相控陣技術已經廣泛應用于當今移動通信智能天線中,人們可以隨時隨地獲取信息,進而也提出了隨時隨地獲取能量的需求。人類環境中存在豐富的電磁波,將環境射頻能量經過收集、轉換用于低功耗電子設備,既有經濟價值,又具有社會意義[10]。為了讓學生更好地了解無線輸電的知識,文獻[11]研制了一套使用微波進行點對點的無線能量傳輸設備,讓學生更直觀地了解到無線輸電的前沿知識。

為了跟蹤技術前沿。適當增加一些前沿的、熱門的知識內容,使枯燥乏味的教學變得生動起來,充分調動學生的學習興趣和積極性,本文借鑒了國外高校成功的教學模式和教學經驗[12],提出了在微波技術與天線課程中增加相控陣天線和微波輸能方面的綜合創新性實驗教學方案,并研制了基于相控陣技術的微波輸能實驗教學系統。

1　系統組成及實驗方案

該系統包括相控天線陣、波束控制網絡、接收天線陣和微波整流電路。由微波信號源輸出1W的射頻信號通過波束控制網絡的功分移相電路,接到發射相控天線陣,調節天線陣的饋電相位差實現波束的掃描,電磁波傳輸一定距離后由接收天線陣接收并濾波整流,最終輸出直流功率點亮負載端LED燈,從而實現電磁波傳播的可視化和相控陣波束掃描的形象化教學。

微波輸能系統是發射端將能量以高頻電磁波形式發射,接收端接收到發射端發出的高頻電磁波能量,并將其轉化為直流能量供后續電路工作的系統。通過這種傳輸方式,能量便可以在空間實現無線傳輸。在一些實際應用中,如利用微波輸能給移動飛行器或管道機器人提供能量,即要求對移動目標輸能,這就需要發射天線具有隨動功能,可由相控陣天線完成。鑒于此,本文基于相控陣原理設計了一套完整的微波輸能實驗教學系統,系統框圖如圖1所示。

圖1　基于相控陣技術的微波輸能實驗教學系統框圖

該系統功能的整體實現采用模塊化的設計思路,硬件結構主要由發射和接收兩個部分組成。在發射系統部分,微波信號首先經過波束控制饋電網絡,進行等功率分配給每列單元天線的移相器,經過一定的移相后再激勵相控天線陣的輻射單元,利用相鄰列單元天線之間的信號相位差,實現天線波束即微波能量的空間掃描。發射出的電磁波經過自由空間的傳輸到達接收端。在接收系統部分,空間電磁波首先由接收天線陣轉化為電路中的交變電流,然后輸入到微波整流電路,微波整流電路中的低通濾波器和直通濾波器作為輸入和輸出濾波器,作用是讓天線接收到的基波順利進入二極管整流并輸出直流,讓各類諧波被約束在輸入和輸出濾波器之間,以提高二極管的轉換效率,最終輸出的直流能量點亮負載端的LED燈，通過射頻開關實現波束掃描點亮不同的LED燈來模擬相控陣微波輸能效果。

設計的基于相控陣技術的微波輸能實驗教學系統能夠形象生動地顯現電磁信號的產生和傳輸,并可直觀感知波束掃描的電磁特性和規律,從而在實驗教學中易于激發學生學習興趣,引導學生從觀測的現象中

思考和發現問題,調動學生主動開展研究性學習。實驗方案的設計圍繞著系統功能展開,包括理論設計、電磁仿真、器件制作和儀器測量等方面。設計教學過程時,可以根據需要控制各通道的幅度和相位,實現特定的組陣、波束設計及波束掃描功能。整個實驗系統涉及多種射頻微波器件,如功分器、移相器、射頻開關、濾波器、檢波器、天線和天線陣等,每一個器件單元模塊都可以開設創新設計性實驗,以各單元模塊的設計、仿真、制作、測試為基礎逐步進入到系統集成,讓學生逐步建立起系統的概念,并能夠在系統的層面上分析和調試。本實驗教學系統的教學效果和影響遠遠超越了原有單純的單元式和驗證性實驗。

2　系統設計與實現

2.1十六元相控天線陣設計

設計的相控天線陣采用4×4微帶天線平面結構,天線輻射單元采用縫隙耦合及偏饋的方法，既擴大了微帶天線的帶寬,又有利于天線的加工制作和系統集成?？p隙耦合饋電結構由兩層介質基板構成,輻射貼片和微帶饋電網絡線分別處于地板的兩側,通過在接地板上刻槽的方式,使得微帶饋線和輻射貼片直接通過縫隙進行耦合。天線陣HFSS仿真模型和加工實物如圖2所示。這種饋電方式因為接地板的存在,饋電網絡產生的輻射不會干擾天線的輻射特性,并且通過調節饋線的長度、寬度、位置,易于實現阻抗匹配。

圖2　十六元相控天線陣的仿真模型與實物

饋電網絡采用Wilkinson功分器結構,利用ADS進行快速初步電路設計,然后再用HFSS結合天線進行電磁場仿真。每列陣采用一分四等功分器分別饋電,四列天線陣的輸入相位設置為等差45°。從仿真結果可知,天線最大輻射方向偏離了法向10°左右,實現了波束掃描的功能。為降低實驗成本,饋電功分網絡采用厚度為1.5mm的FR4射頻電路板,上層天線采用聚四氟乙烯介質基板上粘貼銅箔的形式。在2.4～2.52GHz的頻帶范圍內,回波損耗都大于10dB,帶寬達到了120MHz,且中心頻率處的回波損耗值為32dB,匹配狀態較好,天線陣增益達到15dB。

2.2波束控制網絡設計

數字移相器是相控陣天線的關鍵組件,整個相控陣天線依靠移相器來實現波束在空間中的掃描。數字移相器一般由射頻開關和傳輸線構成。改變射頻開關的控制偏壓,移相器電路呈現上下支路分別導通的狀態。各支路的等效電長度不同而產生相移。圖3(a)為開關線型移相器原理示意圖。由于PIN二極管的使用引入了寄生參數會嚴重影響匹配,為此在直流偏置電路中通過將電感和一段微帶線組合來對這種失配進行補償,同時該電感的引入還可以起到對直流偏置電路中的射頻信號進行扼流的作用。

加工的波束控制功分移相饋電網絡實物如圖3(b)所示,采用PIN二極管開關線型移相器級聯的結構,實現了單支路2bit共4種相位的變化。通過控制二極管的通斷,可以實現0°、45°、90°、135°的相移變化。采用SKYWORKS的SMP1340_011作為開關二極管,利用ADS和HFSS相結合的仿真設計方法,有效地縮短了調試過程。實測各支路回波損耗大于12dB,插入損耗在9dB左右,理想情況下一分四功分器固有分配損耗6dB,考慮到二極管導通時等效的小電阻引入一定損耗,外加介質板損耗,9dB的插入損耗趨于合理。理論設計的45°和90°相移,實際測試相移為43°和89°,滿足設計要求。

2.3四元接收天線陣設計

單元天線采用嵌入式饋電的微帶天線結構,簡單易于匹配。為了提高后續電路二極管的整流效率,使其在較低功率密度條件下也能獲得足夠的輸入功率,將單元天線組成2×2天線陣以提高天線增益。設計的四元陣接收天線,在提高增益的同時還可以通過調節各單元天線之間的間距來調節主瓣寬度,增加了接收天線對方向性的靈敏度。設計的四元接收天線陣HFSS仿真模型如圖4所示。為了便于與微波整流電路集成,饋電網絡采用T型功分匹配結構,且2個單元一組進行反相饋電,簡化了饋電網絡結構。仿真結果表明,四元天線陣獲得了很好的匹配,回波損耗曲線關于中心頻率2.45GHz對稱,10dB帶寬達到了80MHz。由于采用低成本FR4射頻板,天線陣增益僅為8.5dB,后續可以考慮使用低損耗微波材料板進一步提高天線陣增益。

圖3　開關線型移相器原理示意圖及波束控制功分移相饋電網絡實物圖

圖4　四元接收天線陣HFSS仿真模型

2.4微波整流電路設計

對于整流電路來說,整流二極管的選擇至關重要,這直接影響到整流電路的轉換效率,影響整個電路的性能。通常來說,肖特基整流二極管的結電容、串聯電

阻以及寄生參數越小越好。綜合考慮二極管自身的特性以及整流電路的實際需要,選擇了適合低輸入功率的HSMS285C倍壓整流二極管,在 2.45GHz工作頻率下具有較低的正向開啟電壓和小的結電容。在整流二極管的前端加入高低阻抗線低通濾波器,二極管的后端和并聯電容之間加四分之一波長的微帶線構成直通濾波器,將由二極管非線性產生的諧波抑制在二極管的兩端,回收諧波的能量,最終也變為直流輸出,大大提高了二極管的整流效率；直通濾波器的四分之一波長傳輸線和二極管前端的并聯枝節可以調節二極管的最佳工作點,減小由實物加工誤差所引起的諧振點偏移,提高了整個整流電路的工作性能。整流輸出的直流能量直接提供給負載端的SML-211UT高亮LED燈,輸出電壓越大LED燈點亮程度越高。整流電路和接收天線集成實物圖見圖5。

圖5　微波整流電路和接收天線陣集成實物圖

2.5系統測試實驗

系統測試實驗選用微波掃頻信號發生器產生2.45GHz的點頻信號,根據實現距離需要可以適當增加功率放大器模塊以增大信號傳輸距離。搭建整個相控陣微波輸能系統,將信號發生器產生的信號經放大后接入波束控制網絡一個輸入端,波束控制網絡的4個輸出端分別接相控天線陣的4個輸入端口,通過改變波束控制網絡的二極管工作開關狀態,進行不同支路的移相操作,從而實現發射端波束切換掃描的效果。接收端將一體化設計的接收天線陣微波整流電路單元粘貼到發泡板上進行組合,單元數量越多,實驗效果越好。系統整體連接圖如圖6所示。打開信號源,接收端的LED燈被點亮,實現了空間的微波能量傳輸,并且撥動波束切換開關,通過控制饋電相位差還可進行波束的掃描,實現了不同位置的LED點亮的效果,非常直觀形象。這也說明天線陣的方向掃描是由于激勵信號的相位變化引起的,便于學生理解相控陣名稱的由來。

圖6　基于相控陣技術的微波輸能實驗教學系統整體連接圖

3　結論

相控陣天線技術和微波輸能技術是當前天線微波領域研究的前沿和熱門技術。為了在教學中引進熱門技術,本文設計并實現了一套基于相控陣技術的微波輸能實驗教學系統。通過該系統的實驗教學,讓學生直觀感知相控陣天線輻射電磁波的特性,使學生明白微波也可以作為電能的載體,實驗結果形象且有動感,能夠提高學生的學習興趣,增強學生對前沿熱門技術的探索。該實驗教學系統采用了模塊化設計思路,每一個單元模塊都具有設計性實驗內容和發揮學生創新性的環節,以各單元模塊的設計、仿真、制作、測試為基礎逐步進入到系統集成,易于提高學生的創新精神和綜合設計能力,從而增強學生的就業競爭力。

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Designandrealizationofmicrowavepowertransmissionexperimentalteachingsystembasedonphasedarrayantenna

FuShiqiang,LiChanjuan,FangShaojun

(CenterofNationalElectricalandElectronicExperimentTeaching,DalianMaritimeUniversity,Dalian116026,China)

Inordertokeeptrackofthetechnologyandmakethestudentshaveabettergrasptheprincipleofphasedarrayantennaandmicrowavepowerwirelesstransmission,thecomprehensiveinnovativeexperimentalteachingmethodhasbeenputforwardinMicrowaveTechnologyandAntennacourse.Theexperimentalteachingsystemofmicrowavepowertransmissionbasedonphasedarrayantennatechnologyhasbeendeveloped.ThesystemworksintheISMopenfrequencyband2.45GHz,whichiscomposedofsixteen-elementantennaarraywithbeamcontrolnetworkatthetransmitterandfour-elementantennaarraywithamicrowaverectifiercircuitatthereceiver.Themoduledesignmethodisadopted.Theexperimentalprincipleandexperimentalphenomenonareclear.Thedesignoftheexperimentisinnovative.Thesystemisintegratedbasedonthedesign,simulation,fabricationandtestingofeachunitmodule.Itcanhelpthestudents’todevelopcomprehensiveabilityandinnovativespirit.

phasedarrayantenna;microwavepowertransmission;modulardesign;experimentalteaching

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.023

2015- 11- 12修改日期：2015- 12- 29

遼寧省教育廳教改項目(UPRP20140812)；大連海事大學教改項目(2014Q07)

傅世強(1981—)，男，山東龍口，博士，副教授，主要從事天線與射頻電路方面的教學和科研工作.

E-mail：fushq@dlmu.edu.cn

TM724.1；G484

A

1002-4956(2016)5- 0087- 05