CN102723788A - 传感器的无线能量双频接收装置 - Google Patents

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徐雷钧
杨晓东
白雪
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Abstract

一种基于微波传输的无线能量双频接收装置，由接收天线和整流电路组成。接收天线采用双面共地的微带线结构，并通过一个三层金属通用PCB板实现。该PCB板共有5层，第1层，第3层和第5层均为铜质材料，第3层作为地线，第1层和第2层均为天线使用，用于接收不同频段的电磁波，两层的半径和缝隙不同。该装置可以同时接受2.5-4GHz的s波段和4-8GHz的c波段的信号。本发明与其他能量传输系统相比具有小型化、宽频带、高效率等优点。

Description

传感器的无线能量双频接收装置
技术领域
本发明是一种基于微波传输的无线能量双频接收装置，可应用于低功耗传感器的能量供给，具有宽频段高效率的特点。属于电子信息技术领域。
背景技术
目前能源运输主要依赖交通工具或者高压送电设备，需耗费大量的人力物力，在运输过程中还存在大量的能源浪费现象。因此在50年代，人们就开始系统地研究用微波传送能量。在美国人Brown等的倡导下，美国空军从60年代初期开始资助他们做一些探索性的研究，并与1964年成功地演示了S波段（2.45GHz）微波功率驱动的直升机。该飞机通过安装在机身上的整流天线直接从微波波束中提取高频能量，然后将其转换成电流，电机从整流天线中获得200W的功率，这是微波输能史上的一个重要的里程碑。
当前无线能量接收天线主要使用单面微带贴片结构实现，特点是接收频段单一，接收效率较低。
发明内容
技术问题：本发明有关于微波传输的无线能量双频接收装置，相比较于传统单一波段微波能量传输装置，本发明的能量接收装置具有宽频带、高效率的优点。
技术方案：根据本发明提出的微波能量双频接收系统，包括两个部分，第一部分接收天线；第二部分整流电路。本发明中，接收天线采用双面共地的微带线结构实现。
接收天线是整个微波能量接收装置的重要组成部分，本发明设计了一个工作于s波段（2.5-4GHz）和c波段（4-8GHz）的单馈点的圆极化微带天线。此天线采用圆环结构，圆环内边界开了相对的两个缝隙，通过电磁场仿真工具优化调节缝隙大小，使得天线主模分解为两个极化正交，幅度相等，相位差为90度线极化波，以实现圆极化特性。
整流电路采用二倍压整流电路实现，二倍压整流电路由两个电容，两个二极管组成。
有益效果：与其他能量传输系统相比，本发明具有以下优点：
1.小型化。因为接收天线都是用微带线结构实现，这样可以做在PCB板上，易于实现天线和电路一体化，携带方便。
2. 宽频带。将两种不同接收频段的天线制作在一块PCB板上，使得接收装置能够同时接收s波段和c波段的微波能量，有效扩展了带宽范围
3. 高效率。微波输能通过自由空间将能量直接从发射端传送到接收端，传输损耗只有大气损耗和遮挡物等，在S和C波段的传输效率一般在90%以上，接收天线采用了圆极化技术提高了微波到直流能量转换效率。
为了让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1为微波能量传输系统结构图。
图2为传感器能量接收原理图。
图3 为圆极化接收天线的俯视图。
图4 为圆极化接收天线剖面图。
图5 为整流电路原理图。
具体实施方式
本发明所提出的微波能量接收装置采用的技术方案如下。
接收装置由天线和整流电路构成。天线接收发射来的微波信号，并将微波信号传送给后面的整流电路，通过整流电路将高频的微波信号转变为直流电输出，为传感器提供电能。整个接收装置均设计在一块PCB板上。
天线使用3层金属的通用PCB板实现，采用单馈电、双面共地的微带贴片结构。从图4剖面图由上而下看，可以看出PCB板共分5层，第1层，第3层和第5层均为铜质材料，除第3层作为地平面外其余两层均为天线使用，用于接收不同频段的电磁波，两层的半径和缝隙不同。通过电磁场仿真工具可以获得圆环和缝隙的物理尺寸参数。第2层和第4层材料为聚四氟乙烯。这样就构成了一个双频的接收天线。
高频整流电路使用2个微波二极管和2个电容构成。从图5整流电路原理图来看，假设输入端电压有效值为Ui，当电压波形上正下负时，D1导通，输入端电压给电容C1充电，电容C1峰值电压可达到1.4Ui；当输入端电压上负下正时，D1截止，D2导通，输入端电压和电容C1给电容C2充电，电容C2峰值电压可以达到2.8 Ui，可以看出，该电路达到倍压整流的目的。

Claims (6)

1.一种基于微波传输的无线能量双频接收装置，由接收天线和整流电路组成，整流电路采用二倍压整流电路实现，二倍压整流电路由两个电容，两个二极管组成，其特征在于，接收天线采用双面共地的微带线结构。
2.根据权利要求1所述的基于微波传输的无线能量双频接收装置，其特征在于，接收天线设计在一个三层金属的通用PCB板上；PCB板分为5层，第一层、第三层和第五层均为金属铜，第二层和第四层为聚四氟乙烯。
3.根据权利要求2所述的基于微波传输的无线能量双频接收装置，其特征在于，第一层、第五层的半径和细缝不同。
4.根据权利要求2所述的基于微波传输的无线能量双频接收装置，其特征在于，第一层、第五层分别接收工作于s波段和c波段的微带天线；第三层接入地线。
5.根据权利要求6所述的基于微波传输的无线能量双频接收装置，其特征在于，s波段的频率为2.5-4GHz。
6.根据权利要求6所述的基于微波传输的无线能量双频接收装置，其特征在于，c波段的频率为4-8GHz。
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