CN103367915B - 一种高转换效率的基片集成波导缝隙整流天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高转换效率的基片集成波导缝隙整流天线。它包括接收天线阵和整流电路。其中接收天线是由基片集成波导缝隙二元天线阵构成；整流电路由微带阶跃型低通滤波器、微带T型阻抗匹配枝节、整流二极管、微带扇形直通滤波器和直流负载组成。基片集成波导缝隙天线阵和整流电路置于双面覆铜介质基片的上层金属层，通过金属通孔与下层金属层相连；整流二极管串联在整流电路中。该整流天线增益高、剖面低、重量轻、易于和设备集成；适合用印刷电路技术大批量生产，成本低；且采用基片集成波导缝隙天线阵，在毫米波段介质损耗小。可以有效解决无线传感器网络节点、RFID的不间断供能问题，用于医疗和城市基础设施的监测及军事探测等的无线供能方面。

Description

一种高转换效率的基片集成波导缝隙整流天线

技术领域

本发明涉及无线能量传输领域中的一种毫米波能量的接收和转换装置，即毫米波整流天线，尤其涉及一种高转换效率的基片集成波导缝隙整流天线，用于将毫米波能量接收并转换成直流电。

背景技术

微波输能（MPT：Microwave Power Transmission）技术打破了能量通过电缆传输的传统模式，以微波为载体将其进行无线传输，提供了一种新的传输方式。19世纪末，美国科学家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）首先提出MPT的概念。而近代MPT技术始于上世纪六十年代，首先被用于高功率场合，包括微波驱动无人机、高空永久作业平台（即现在的近空间浮空器）供电、复杂地面环境输电、太阳能卫星输电、中小功率的工业用电等。特别是美、日等国太阳能卫星计划的逐步推进和各国对空间技术和信息技术的高度重视，MPT技术在近50年来取得了长足的进步。近年来，MPT技术的低功率应用得到关注，考虑将其用于无线传感器网络(WSN：Wireless Sensor Network)的节点、射频识别技术（RFID）标签的无线输能上。传统的WSN节点采用电池供电，必然面临电能耗竭的问题。而采用MPT的方式可突破了传统采用电池供电的局限，大大延长了无线传感器的使用寿命，从而进一步减少了技术人员对传感器的维护与更换工作。MPT技术应用前景广阔，可用于医疗和城市基础设施的监测及军事探测等的无线供能方面，还可用于不断小型化的便携式无线电子设备供电。

接收整流天线是MPT系统的关键技术，整流天线与用电设备集成或附着于用电设备。为了适应电子设备小型化和便携式的需求，需要整流天线体积小、重量轻，而微带整流天线剖面低，采用平面印刷工艺，满足小型化的要求。随着毫米波技术的发展，毫米波器件的成本逐渐降低，当前的微波整流二极管可有效工作于毫米波段，整流天线工作毫米波段可进一步减小其尺寸。但是微带天线在毫米波段的表面波损耗增大，天线效率下降，因此本专利将采用新型的基片集成波导（SIW）缝隙天线作为接收天线。且毫米波系统具有体积小的优点，能从整体上降低MPT系统的成本，实现设备小型化。

应实际应用需求，首先整流天线具有低剖面、便于加工等特性。根据二极管在电路中的连接方式，可以将整流电路分为并联型整流电路和串联型整流电路。通过仿真实验发现，串联型整流电路相对于并联型整流电路具有更高的整流效率，且在并联型整流电路中，需要将二极管连接在电路和地之间，这样加工有一定的难度；而在串联型整流电路中，二极管串联在整流电路中，和电路在同一平面，加工较为简单，但是需要再串联电路中加入特殊的“接地”处理，以形成直流通路。

这里提出的SIW缝隙毫米波整流天线采用二极管串联整流方式，具有低损耗、易加工、易集成、剖面低等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高转换效率的基片集成波导缝隙整流天线，可以有效地解决WSN节点、远场RFID及其它电子设备的供能问题，以摆脱电池的束缚，实现设备的小型化、便携性。该整流天线不仅有高增益、低损耗的优点，且剖面低、结构简单、加工方便、易于组阵，适于大规模的生产应用。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案。

一种高转换效率的基片集成波导分析整流天线，包括一个基片集成波导缝隙的二元天线阵和一个微带整流电路。其特征在于：所述二元天线阵是由金属通孔、辐射缝隙、功分器及微带馈线组成，构成接收天线；所述接收天线的微带馈线与整流电路的输入端微带线相连；所述整流电路由一个微带阶跃低通滤波器经一个T型微带阻抗匹配枝节、一个整流二极管和一个微带扇形直通滤波器连接一个直流负载构成。以上部分均采用印刷电路，整体制作在双面覆铜介质基片上层金属层。

所述基片集成波导缝隙的二元天线阵位于双面覆铜介质基片的上层金属层，且通过金属通孔与下层接地板相连；二条平行排列的辐射缝隙位于由金属通孔围成的两个有开口的方形金属层区域内，且该通孔围成的区域具有有效长度和宽度；所述功分器呈叉形金属带，两叉枝连接两个金属通孔围成的方形区域开口处，而叉杆连接微带馈线。

所述的微带馈线与整流电路的输入端微带线相连处的宽度相同；所述微带阶跃低通滤波器为三个串联的小方形金属层，所述微带扇形直通滤波器为三个串联的扇形金属层。

所述整流电路中的整流二极管串联在整流电路中，位于双面覆铜介质基片的上层金属层，其中正极焊接在T型微带阻抗匹配枝节上，负极与微带扇形直通滤波器相连；所述直流负载一端焊接在直通滤波器上，另一端接地。

所述天线微带馈线的特性阻抗为50欧姆。

本发明采用以下措施，解决在获得高整流效率的情况下，使整流天线具有小剖面、易集成、结构简单、易加工的优点。

1.             介质下层金属层作为接收天线和整流电路的公共接地板；

2.             接收天线采用SIW技术。

3.             整流电路和接收天线都位于介质上层金属层； 

4.             通孔的位置、缝隙的尺寸确定接收天线的工作频率；

5.             天线的馈电方式采用微带线馈电。

本发明通过基片SIW技术实现整流天线的高增益、宽频带以及低损耗，保证二极管得到足够的射频能量，使整流电路具有高转换效率。天线的微带馈线与整流电路输入端微带线的宽度相同，设计为50欧姆。该整流天线具有较高的射频能量到直流电的转换效率，可以有效地解决手机、可穿戴式电子设备及远场RFID中的供能问题。

本发明主要有以下显著优点：

1.                整流天线整体制作在同一介质基片上，适合用印刷电路技术大批量生产，成本低；

2.                采用SIW缝隙天线阵作为接收天线，省去串联整流电路中的特殊“接地”处理，简化了电路，便于加工；

3.                二单元阵列具有较高的增益，且微带线馈电，易于组成多单元阵列，应用于大功率场合；

4.                整流二极管正负极均在介质板一侧，串联在整流电路中，易于制版加工；

5.                接收天线采用SIW技术，损耗低；

6.                剖面低，体积小，重量轻；具有平面结构，易于与其他电路集成；

7.                在Ka波段，具有60%以上的高转换效率。

附图说明

图1是整流天线结构顶视图；

图2是整流天线侧视图；

图3是SIW缝隙二元天线阵结构示意图；

图4是微带整流电路结构示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1~图4，本高转换效率的基片集成波导缝隙整流天线，包括：一个基片集成波导缝隙的二元天线阵1和一个整流电路2，其特征在于：所述二元天线阵1是由金属通孔3、辐射缝隙4、功分器5及微带馈线6组成，构成接收天线；所述接收天线的微带馈线6与整流电路2的输入端微带线相连；所述整流电路2由一个微带阶跃低通滤波器7经一个T型微带阻抗匹配枝节8、一个整流二极管9和一个微带扇形直通滤波器10连接一个直流负载11构成。以上部分均采用印刷电路，整体制作在双面覆铜介质基片上层金属层。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述基片集成波导缝隙的二元天线阵1位于双面覆铜介质基片的上层金属层，且通过金属通孔3与下层接地板13相连；二条平行排列的辐射缝隙4位于由金属通孔3围成的两个有开口的方形金属层区域内，且该通孔3围成的区域具有有效长度和宽度；所述功分器5呈叉形金属带，两叉枝连接两个金属通孔3围成的方形区域开口处，而叉杆连接微带馈线6；所述的微带馈线6与整流电路2的输入端微带线相连处的宽度相同；所述微带阶跃低通滤波器7为三个串联的小方形金属层，所述微带扇形直通滤波器10为三个串联的扇形金属层；所述整流电路2中的整流二极管9串联在整流电路中，位于双面覆铜介质基片的上层金属层，其中正极焊接在T型微带阻抗匹配枝节8上，负极与微带扇形直通滤波器10相连；所述直流负载11一端焊接在直通滤波器10上，另一端接地。

实施例三：

如图1和图2所示，本整流天线包括接收二元天线阵1和整流电路2。所述接收天线的微带馈线宽度与整流电路输入端微带线宽度相同，实现自然过渡。工作于Ka波段。

整流天线的接收天线包括上层金属层、金属通孔3、辐射缝隙4、微带功分器5、微带馈线6、中间介质层12、下层金属层13，如图3所示。辐射缝隙尺寸、通孔围成的SIW存在有效长度。辐射缝隙4接收电磁波能量，通过通孔3组成的SIW将电磁波能量传输到天线的微带馈线6上。

整流电路2由微带阶跃型低通滤波器7、微带T型枝节阻抗匹配网络8、整流二极管9、微带扇形直通滤波器10、直流负载11组成，如图4所示。所述微带低通滤波器7的输入端直接与天线的微带馈线6相连接，输出端与T型枝节8相连；整流二极管的正极焊接在T型枝节8输出端，负极接在扇形直通滤波器10输入端上；扇形直通滤波器10输出端接直流负载11，负载另一端接地。从天线的微带馈线6来的电磁波能量通过低通滤波器7和T型枝节8进入二极管9进行整流，直流能量和少量的谐波能量到达扇形直通滤波器10，电磁波的直流分量通过，而谐波分量被反射回二极管，再次整流。得到的直流电能被负载11所消耗。

所提出的整流天线在Ka波段有60%以上的射频到直流的转换效率。

Claims (4)

1.一种高转换效率的基片集成波导缝隙整流天线，包括：一个基片集成波导缝隙的二元天线阵（1）和一个整流电路（2），其特征在于：所述二元天线阵（1）是由金属通孔（3）、辐射缝隙（4）、功分器（5）及微带馈线（6）组成，构成接收天线；所述接收天线的微带馈线（6）与整流电路（2）的输入端微带线相连；所述整流电路（2）由一个微带阶跃型低通滤波器（7）经一个T型微带阻抗匹配枝节（8）、一个整流二极管（9）和一个微带扇形直通滤波器（10）连接一个直流负载（11）构成；二元天线阵（1）和整流电路（2）均采用印刷电路，整体制作在双面覆铜介质基片上层金属层。

2.根据权利要求1所述的高转换效率的基片集成波导缝隙整流天线，其特征在于：所述基片集成波导缝隙的二元天线阵（1）位于双面覆铜介质基片的上层金属层，且通过金属通孔（3）与下层接地板（13）相连；二条平行排列的辐射缝隙（4）位于由金属通孔（3）围成的两个有开口的方形金属层区域内，且该通孔（3）围成的区域具有有效长度和宽度；所述功分器（5）呈叉形金属带，两叉枝连接两个金属通孔（3）围成的方形区域开口处，而叉杆连接微带馈线（6）。

3.根据权利要求1所述的高转换效率的基片集成波导缝隙整流天线，其特征在于：所述的微带馈线（6）与整流电路（2）的输入端微带线相连处的宽度相同；所述微带阶跃低通滤波器（7）为三个串联的小方形金属层，所述微带扇形直通滤波器（10）为三个串联的扇形金属层。

4.根据权利要求1所述的高转换效率的基片集成波导缝隙整流天线，其特征在于：所述整流电路（2）中的整流二极管（9）串联在整流电路中，位于双面覆铜介质基片的上层金属层，其中正极焊接在T型微带阻抗匹配枝节（8）上，负极与微带扇形直通滤波器（10）相连；所述直流负载（11）一端焊接在直通滤波器（10）上，另一端接地。