Design and Analysis of a 35 GHz Rectenna System for Wireless Power Transfer to an Unmanned Aerial Vehicle

Dans cet article, la conception et l'optimisation d'une antenne (émetteur) et d'un système rectenna (récepteur) sont présentées pour traiter le transfert de puissance micro-ondes sans fil pour alimenter un véhicule aérien sans pilote en mouvement de 22 kW. La fréquence d'émission de la puissance micro-ondes de 35 GHz est sélectionnée afin d'obtenir une architecture de système compacte à faible coût. Pour ce faire, tout d'abord, la taille de l'antenne d'émission et de réception a été calculée en utilisant l'équation de transmission de puissance Friis pour une distance de 10 km. La distance de transmission de puissance peut être modifiée en fonction de la demande. Par conséquent, un réseau d'antennes patch micro-ruban rectangulaires de 4x2 à haut gain et haute efficacité a été conçu et simulé à l'aide de l'outil de conception électromagnétique CST. Et puis, un simple système de redressement (rectenna) a été conçu et optimisé par le logiciel Advanced Design System (ADS). Une diode GaAs Schottky MA4E1317 est choisie pour le système de redressement. La fréquence de résonance du réseau d'antenne patch et de la rectenna est de 35 GHz. Le gain et l'efficacité des antennes patch micro-ruban 4x2 proposées sont respectivement de 13,4 dBi et 85%. De plus, l'efficacité de conversion RF en DC de la tension de sortie rectenna proposée atteint respectivement 80% et 3,5 V pour une puissance d'entrée de 10 dBm contre une charge résistive de 1500 Ω. Le système d'antenne et de rectenna proposé démontre les possibilités detransfert de puissance micro-ondes sans fil sur une longue distance avec efficacité et ce pour des diamètres d'antenne respectables.

Abstract

In this article, the design and optimization of an antenna (transmitter) and a rectenna (receiver) system is presented to process the wireless microwave power transfer to feed a 22-kW moving unmanned air vehicle. The microwave power transmitting frequency of 35 GHz is selected in order to obtain a low-cost compact system architecture. To do so, first, the size of the transmitting and receiving antenna has been calculated using Friis' power transmission equation for a distance of 10 km. The power transmitting distance can be varied according to the demand. Therefore, an array of high gain and high efficiency of 4x2 rectangular microstrip patch antenna has been designed and simulated with the electromagnetic design tool CST. Then a rectifying system (rectenna) is designed and optimized by the advanced design system (ADS) software. A GaAs Schottky diode MA4E1317 is selected for the rectifying system. The resonating frequency for the patch antenna array and rectenna is 35 GHz. The gain and efficiency of the proposed 4x2 microstrip patch antennas achieved 13.4 dBi and 85% respectively. Moreover, RF to DC conversion efficiency of the proposed rectenna and DC output voltage reaches 80% and 3.5V respectively for a 10 dBm input power against a 1500 Ω resistive load. The proposed 35 GHz antenna and rectenna system have a high potential for wireless microwave power transfer on a long-distance with higher efficiency.