CN102354805A - 一种微波接收整流天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种工作在2.45GHz的线极化二元串联微带矩形贴片阵列作为接收整流天线，采用微带线串联馈电使天线与整流电路位于同一个平面上，单元贴片之间引入的两个短枝节可以调节天线方向图的指向。这种结构十分方便扩展，可应用于大型阵列的设计。本发明剖面小、体积小、重量轻。具有平面结构，易于和用电设备共面共形；接收整流天线阵列整体制作在同一介质基片上，适合于用印刷电路技术大批量生产，成本低；其微带线馈电方式，使得整流天线易于组阵，应用于大功率场合。

Description

一种微波接收整流天线阵列
技术领域
本发明涉及无线微波能量传输领域中的一种接收转换装置，即一种平面印刷整流天线阵列，用于将微波能量接受并转换成直流电。
背景技术
20世纪六十年代，为了解决世界对能源需求的日益增长问题，提出了太空太阳能电站的构思：在太空中，利用安装在卫星上的太阳能电池收集电能，而后将电能转换成微波加以传输，地面接收站则负责接收微波，然后将微波转换成电能并输入电网。日本航空宇宙开发中心也在做类似的太空太阳能发电系统，有望于2030年前启动。在北海道的研究基地，日本科学家用直径2.4米得仪器装置进行了地面接收太空微波能量的实验。日本航空宇宙开发中心的最终目标时间里一个约3平方公里的地面接收站，生产100万千瓦的电能，给50万个家庭供电。
传统的高压输电线的架设，耗费人力物力，对地理环境较为复杂的山区、荒漠、孤岛更是如此。而蓄电池能量携带有限需要充电，太阳能电池受天气环境的影响很大，而且转换效率不高。用先进的微波无线输电手段代替高压输电线是欧美日等发达国家正在努力的方向。1975年美国国家喷气推进实验室JPL在加州演示了收发两端相距1英里的微波功率传输系统，该系统接收端整流天线得到了30Kw的直流功率。1987年，加拿大成功的让机翼长为4.5m的飞机在2.45GHz的微波功率驱动下，在低空飞行了20分钟。1994年-1995年日本也进行了地面上两点间的微波无线传输能量实验，接收装置是一个3.2米×3.6米的大型整流天线阵，整个整流天线阵的微波-直流转换效率达到了46％。1996年12月，法国在美国、俄罗斯、日本等国支持下，成功研制了一个微波无线供能系统，此系统在留尼旺岛冈巴桑峡谷，将电能以微波波束的形式从峡谷的项端传送到底部，解决了峡谷内小村庄的生活、通信用电问题。2000年6月美国科学家利用微波将一小型飞行器成功地运入太空，标志着人类利用微波能量取得突破性进展。
发明内容
本发明提出了一种工作在2.45GHz的线极化二元串联微带矩形贴片阵列作为接收整流天线，采用微带线串联馈电使天线与整流电路位于同一个平面上，单元贴片之间引入的两个短枝节可以调节天线方向图的指向。这种结构十分方便扩展，可应用于大型阵列的设计。
本发明微波接收整流天线阵列有以下几部分组成：接收天线、整流部分、滤波部分、和匹配部分，以上部分均采用印刷电路，整体制作在聚四氟乙烯双面覆铜板基片上。
接收天线是用来接收微波能量的，采用线极化二元串联微带矩形贴片阵列，微带线串联馈电，两个串联贴片之间的两个短枝节，用来调节天线方向图指向。
整流部分是微波接收整流天线阵列的核心部分，利用二极管的非线性效应，将微波能量转换为直流能量和小部分的谐波，整流电路结构主要有桥式全波整流电路和单个二极管半波整流电路两种。
滤波电路用来抑制整流过程中产生的谐波，将微波能量限制在整流电路范围内，滤波电路包括输入滤波和输出滤波两部分，分别在整流电路的两端。滤波电路的设计有两种常用的方案：其一是输入滤波器让基波无损耗通过，阻止奇次谐波通过；输出滤波器让直流和偶次谐波通过，阻止基波和奇波谐波通过。其二是输入滤波器只让基波通过，阻止谐波通过；输出滤波器只让直流通过，阻止基波和谐波通过。
匹配电路用来保证接收天线和整流电路的阻抗匹配，以及整流电路和外接用电设备之间的阻抗匹配。
本发明主要有以下显著优点：
第一，剖面小、体积小、重量轻。具有平面结构，易于和用电设备共面共形。
第二，接收整流天线阵列整体制作在同一介质基片上，适合于用印刷电路技术大批量生产，成本低。
第三，其微带线馈电方式，使得整流天线易于组阵，应用于大功率场合。
附图说明
图1是微波接收整流天线阵列的电路连接图。
具体实施方式
以下结合附图和具体的实施方案对发明作进一步说明。
如图所示本发明由以下几部分组成：接收天线1、输入滤波器2、匹配电路3、整流二极管4、输出滤波器5、用电设备6、电容7。以上部分均采用印刷电路，整体制作在聚四氟乙烯双面覆铜板基片上。接收整流天线阵列的工作频率是2.45GHz。
接收天线1是采用线极化二元串联微带矩形贴片阵列，微带线串联馈电，两个串联贴片之间的两个短枝节，用来调节天线方向图指向。
直接与接收天线相连的是输入滤波器2，采用最简单的高低阻抗结构，为了与天线的输入阻抗保持一致，其输入和输出阻抗一致。
匹配电路3是用来保证接收天线1和整流二极管4之间的阻抗匹配，也就是使得从匹配电路3看过去的输入阻抗等于天线的输入阻抗，阻抗匹配的目的是使得用电设备6得到最大的直流功率。
本发明采用单个整流二极管4作为半波整流电路，它将微波能量转换为直流能量和小部分的谐波，效率较高，而且结构简单。
输出滤波器5由一段传输线和电容7组成，输出滤波器5使得直流无损耗通过，阻止谐波和基波通过。于是，微波能量被限制在输入滤波器2和输出滤波器5之间。
用电设备6作为接收整列天线阵列的输出直流功率的负载，向接收天线1发射2.45GHz的微波时，用户设备6就能得到直流功率，这是由接收整流天线阵列将微波能量转换得到的直流电能。
采用本实施方式的微波接收整流天线阵列，其能量转换效率可以达到64％。

Claims (3)

1.微波接收整流天线阵列，其特征在于，包括接收天线1、输入滤波器2、匹配电路3、整流二极管4、输出滤波器5、电容7。以上部分均采用印刷电路，整体制作在聚四氟乙烯双面覆铜板基片上。接收整流天线阵列的工作频率是2.45GHz。
2.根据权利要求1所述的接收整流天线阵列，其特征在于，接收天线1采用线极化二元串联微带矩形贴片阵列，微带线串联馈电，两个串联贴片之间的两个短枝节，用来调节天线方向图指向；整流二极管4利用二极管的非线性效应，将微波能量转换为直流能量和小部分的谐波。
3.根据权利要求1或2所述的接收整流天线阵列，其特征在于整流电路结构为桥式全波整流电路或单个二极管半波整流电路。
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