CN103474778B - 一种双频率接收天线及双频率整流天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双频率接收天线和双频率整流天线，用于解决现有双频率接收天线尺寸较大，增益较小；双频率整流天线尺寸较大，不能接收弱能量，不适应于远距离传输，整流电路可靠性差的问题。本发明的双频率接收天线包括矩形辐射贴片，辐射贴片开设有用于实现双频特性的Z型槽，辐射贴片的下端经同轴线依次连接有介质基片层和金属接地板，同轴线与后端电路连接；辐射贴片与介质基片层之间形成有空气介质层，辐射贴片与介质基片层之间的同轴线外左右对称的设置有金属片，金属片上端与辐射贴片连接，下端与介质基片层连接；辐射贴片的一端面还连接有与介质基片层连接的金属片。本发明可以广泛应用于如通信，医疗，工业等微波输能的各个领域中。

Description

一种双频率接收天线及双频率整流天线

技术领域

    本发明属于无线电能传输领域的天线技术，具体涉及一种双频率接收天线及双频率整流天线。

背景技术

无线电能传输，即电能不通过输电线进行能量传输的技术，能够使人们摆脱电线的约束。无线充电传输方式一般可分为电磁感应式，磁场共振式，电波辐射式三种。其中，电波辐射式又称为微波输能（MPT），即电能转换成微波以辐射传输供电，适合远距离传输。1899年，“特斯拉线圈”的问世，为MPT的发展埋下了种子。近代MPT实验完成于1964年，在2.45GHz下用微波驱动直升机，极大地促进了世界各国对MPT技术的研究。1968年，美国开始了空间太阳能发电卫星(SSPS)计划。MPT在无线电能传输中起到了举足轻重的作用，具有巨大的发展前景，广泛应用于电子，医疗，军事等许多领域，受到国内外越来越多的关注。

MPT有下面三个过程：1)微波的产生； 2)微波的发射和传播；3)微波的接收和转换。在整个MPT系统中，主要装置是整流天线，它能够完成MPT的第三个过程，即接收微波并将其转换成直流电。

整流天线是由接收天线与整流电路共同组成的一种新型天线，广泛地运用于微波输能系统中，其主要由接收天线、前置滤波器、整流电路，后置滤波器以及匹配电路组成。在MPT的快速发展下，各种形式的整流天线不断提出。由于频率为2.45GHz的微波在空间传输时衰减最少，因此在最初的MPT中都是用该频率。1970年无线输电的先驱W. C. Brown 以铝条做半波偶极子和传输线，采用肖特基势垒二极管和桥式整流方式，在频率为2.45GHz时，获得了76%的整流效率。由于铝条整流天线接收功率大、质量大，为了减轻重量与节约金属材料，从20世纪80年代开始，印刷电路接收整流天线成为研究的重点。1982年， W.C. Brown展示的印刷薄膜天线，整流效率达到了85%。目前，工作在2.45GHz下的整流天线技术比较成熟，能够输出高于65%以上的直流能量。鉴于频率为2.45GHz时系统的尺寸太大，成本偏高，为了减小天线的尺寸，工作于5.8GHz和35GHz的整流天线也相继出现。Tae-Whan Yoo, Kai Chang等人对频率为35GHz的整流天线进行了详细的研究，发现工作在35GHz下的整流天线虽然可以减少天线尺寸和传输较远的距离，但是其造价昂贵，效率很低使它的应用受到了限制。然而，工作在5.8GHz下的整流天线不仅具有尺寸小的特点，并且还具有高效率传输，衰减小，造价低，更高的频率范围等优点，受到越来越多的青睐。S. S. Bharj, R. Camisa等提出了第一个工作于5.87GHz下的C波段整流天线，其转换效率可高达80%。而后，美国航空航天局就把5.8GHz作为MPT的首选频率，频率为5.8GHz的高效率整流天线也成为了研究热点。

目前，实现双频率和小型化成为了整流天线新的发展趋势。由于频率资源的紧缺现象日趋严重，双频整流天线这个新兴概念的提出，可以缓解这一问题，因此近年来得到了人们的重视。人们对双频整流天线的研究时间还不长，所取得的成果也不太多，而两个频率之间相互影响导致的低整流效率，却已经成为了制约双频率整流天线发展的一个障碍，给天线设计者带来了新的挑战。随着集成电路技术和半导体技术的发展，MPT技术在低功耗电子设备中的应用得到了广泛关注。为了得到紧凑结构的整流天线，许多带有滤波结构的新型接收天线得到了设计者的青睐。近几年，人们对这种结构形式的天线阵列进行了研究，如Fu-Jhuan Hang, Tzong-Chee Yo等人在文章“Design of circular polarization antenna with harmonic suppression for rectenna application”，设计了一个频率为2.45GHz的圆极化天线作为接收天线，此天线具有抑制谐波的作用，可以很好地抑制二次、三次谐波，起到了输入滤波器的作用，这样就可将输入滤波器结构去掉，从而减小整个整流天线的尺寸。现有的技术的整流天线主要有以下几种。

例如现有的接收天线是一个双频率的印刷偶极子天线，可以实现2.45GHz和5.8GHz两个频率下的射频能量的接收。在此设计中，新颖的输入滤波器设计采用共面带线（CPS）低通滤波器集成两个开放式T形条状的CPS带阻滤波器结构来实现。这两种滤波器的结合构成了一个双频带带通滤波器，抑制了整流二极管在2.45GHz和5.8GHz两个频率下产生的高次谐波。并且，利用二极管的闭合公式对Schottky二极管进行了分析，选用MA4E1317型号的二极管，其较小的结电容提高了整流二极管的效率。旁路电容作为输出滤波器来抑制负载的谐波。在距离整个电路17mm处有一个反射器。此反射器不仅可以用来实现单向辐射，还可以增加天线的增益。此结构的整流天线可以在频率为2.45GHz和5.8GHz下分别达到84.4%和82.7%的最大转换效率。该整流天线存在以下不足：

1）由于引入新颖的输入滤波器结构，整个整流天线不够紧凑；

2）偶极子天线的增益不高，由于引入反射器，结构复杂，不容易实现；

3）用两个不同的天线分别实现两个频率的接收工作，造成整流天线尺寸偏大。

又例如接收天线是一个双频率环形开槽的微带天线。在此天线中，两个大小不同的环形槽可以分别实现2.45 和5.8 GHz两个频率下的射频能量的接收。同时，此接收天线的环形槽还可以实现圆极化的特性。其中，大环形槽实现左旋圆极化，而小环形槽实现右旋圆极化特性。接收天线后面分别接有两个不同的整流电路来实现直流能量的输出。整流电路采用HSMS-2862微波Schottky二极管来实现整流。此型号的二极管为两个级联的二极管封装而成。并且，采用倍压电路的拓扑结构来提高输出负载的电压，此倍压电路中的二极管对于负载端呈现串联形式，而对于输入端呈现的是并联形式，以此来提高每个二极管的电压从而提高负载的电压。输出电路中加入了扼流电感来避免输出直流的测试，如电压表的接入等对整流天线的影响。此结构的整流天线在频率为2.45GHz和5.8GHz下分别达到55%和19%的最大转换效率。该整流天线存在以下不足：

1）整个整流天线的效率较低；

2）两个不同的天线连接两个不同的整流电路分别实现2.45 GHz 和5.8 GHz下的整流，此结构增加了天线的尺寸。并且，要分别调谐来实现各自的匹配。

例如接收天线是一个双频率开槽的微带天线。在此微带贴片中，一个为环形槽，另一个为矩形槽，分别实现2.45 和5.8 GHz两个频率下的射频能量的接收。其中，环形槽采用切口曲线和圆周技术来实现小型化。后端接有一个相同的微带馈电同时给两个频率的天线馈电。从一段微带馈电端口处看去，此天线具有谐波抑制的优点。为了更好的滤除二极管产生的谐波，输入滤波器采用紧凑的发夹型低通滤波器。整流电路采用天线后面分别接有两个不同的整流电路来实现直流能量的输出。整流电路选用MA4E1317型号的二极管，其较小的结电容可以提高整流二极管的效率。并且，负载为51.3                                                ，旁路电容为470，此时，可以输出较大的直流电压而且纹波电压最小。此结构的整流天线在频率为2.45GHz和5.8GHz下分别达到65%和46%的最大转换效率。该整流天线存在以下不足：

    1）有两个不同的天线各自实现两个频率的接收工作；

    2）调谐不方便；

    3）5.8 GHz的转换效率不高。

发明内容

本发明为解决现有双频率接收天线尺寸较大，增益较小的问题；双频率整流天线尺寸较大，不能接收弱能量，不适应于远距离传输，整流天线中的整流电路可靠性差的问题，而提供一种双频率接收天线和双频率整流天线。

本发明为解决上述问题所采用的技术方案是：

一种双频率接收天线，其特征在于：包括矩形辐射贴片，所述辐射贴片开设有用于实现双频特性的Z型槽，所述辐射贴片的下端经同轴线依次连接有介质基片层和金属接地板，同轴线与后端电路连接，所述辐射贴片与介质基片层之间形成有空气介质层，所述辐射贴片与介质基片层之间的同轴线外左右对称的设置有金属片；所述金属片上端与辐射贴片连接，下端与介质层连接；所述辐射贴片的一端面还连接有与介质层连接的金属片。

进一步地，所述金属接地板还开设有横槽。

进一步地，所述同轴线的阻值为50。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果；

一、本发明的双频率接收天线，包括矩形辐射贴片，辐射贴片开设有用于实现双频特性的Z型槽，辐射贴片的下端经同轴线依次连接有介质基片层和金属接地板，同轴线与后端电路连接；辐射贴片与介质基片层形成有空气介质层，辐射贴片与介质基片层之间的同轴线外左右对称的设置有金属片，金属片上端与辐射贴片连接，下端与介质基片层连接；辐射贴片的一端面还连接有与介质基片层连接的金属片。本发明通过开设Z型槽，来实现双频率特性；同轴线外左右对称设置的金属片，因为具有对称性，抑制了天线所产生的其他高次模式，使整流天线具有抑制两个频率的高次谐波的作用，从而可以将现有整流电路中的输入滤波器取代，实现小型化。辐射贴片端面设置的与介质基片层连接的金属片相当于PIFA天线的短路片一样，起到减少尺寸的作用。本发明设计的接收天线秉承了传统PIFA天线的双频率和小型化的特性，并且具有抑制谐波的特性。

    二、本发明的金属接地板上开设有横槽，不仅能改善天线的匹配，而且还大大提高了接收天线的增益，因此能够接收更弱的能量，实现远距离的传输。

本发明提供的另一主题，一种双频率整流天线，其特征在于：包括上述的双频率接收天线，所述双频率接收天线经其同轴线依次串联连接有输入滤波结构、整流电路和输出滤波结构，所述输入滤波结构、整流电路和输出滤波结构连接有匹配电路。

进一步地，所述整流电路为倍压拓扑结构，所述倍压拓扑结构包括射频输入端和负载直流输出端， 所述射频输入端与负载直流输出端连接，所述射频输入端与负载直流输出端之间还连接有三支路，所述第一支路串联连接有一电容和一二极管，二极管的负极与电容连接，二极管的正极接地连接；所述第二支路为一二极管，所述二极管的负极接地连接；所述第三支路为一电容，所述电容的另一端接地连接。

进一步地，所述射频输入端与负载直流输出端之间还串联连接有扼流电感。

进一步地，所述匹配电路包括第一段L型匹配枝节，第二段匹配枝节和第三段L型匹配枝节，所述第一段L型匹配枝节实现输入滤波结构与整流电路之间的匹配；所述第二段匹配枝节为用于实现第一段L型匹配枝节与整流电路之间匹配的高阻线匹配枝节；所述第三段L型匹配枝节实现整流电路和输出滤波结构之间的匹配。

进一步地，所述输入滤波结构为双频率带通滤波器或者电容。

进一步地，所述双频带通滤波器采用微带传输线和开路枝节实现。

进一步地，所述输出滤波结构为电容。

与现有技术相比，本发明提供的双频率整流天线具有以下有益效果：

一、本发明的双频率整流天线，包括上述的双频率接收天线，所述双频率接收天线经其同轴线依次串联连接有输入滤波结构、整流电路和输出滤波结构，所述输入滤波结构、整流电路和输出滤波结构连接有匹配电路。本发明的双频率接收天线增益比传统的PIFA天线高很多，天线能够接收更弱的能量，实现远距离的传输。

二、本发明的整流电路为倍压拓扑结构，所述倍压拓扑结构包括射频输入端和负载直流输出端，所述射频输入端与负载直流输出端连接，所述射频输入端与负载直流输出端还连接有三支路，所述第一支路串联连接有一电容和一二极管，二极管的负极与电容连接，二极管的正极接地连接；所述第二支路为一二极管，所述二极管的负极接地连接；所述第三支路为一电容，所述电容的另一端接地连接。此新型的倍压电路是将两个并联的二极管与电容结合而构成的。电容具有隔直通交的特性，电容对于射频端呈现短路状态；而对于负载直流端，则电容呈现开路状态。因此，此倍压拓扑结构对于射频端，两个二极管呈并联形式；而对于负载直流端，由于电容呈现开路状态，则负载端与一个二极管呈串联形式。若在此倍压拓扑结构中的两个二极管为相同型号，对于射频端的输入阻抗是单个二极管阻抗的一半，而对于负载直流端的输入阻抗是一个二极管的阻抗。由此可见，负载直流端的输入阻抗是射频端的输入阻抗的两倍，达到输出电压加倍的效果。射频输入能量通过两个并联二极管实现整流，将射频能量转换成直流能量，并和电容构成这种新型的拓扑电路，在负载端达到倍压的效果，输出直流能量。并且，对于射频端二极管呈并联形式，则输入阻抗变小，匹配电路的设计较容易。若有一个二极管被毁坏，则此电路变为一个二极管并联的拓扑结构。虽然由于在这种情况下会造成电路的阻抗不匹配，引起整流电路的效率下降，但是还是比传统的倍压电路更可靠。 

三、本发明的倍压拓扑结构在射频输入端与负载直流输出端之间还串联连接有扼流电感，能够更好的平整输出波形。

    四、本发明的匹配电路有三段匹配枝节。第一段和第三段为L型开路枝节，第二段为高阻线，帮助输入滤波器抑制二极管非线性所产生的谐波，防止射频能量的泄漏。调节各匹配枝节的尺寸，使其两个频率下的整流天线的最大输出效率达到最优值，即不仅使整流天线在频率为2.45GHz下的转换效率达到最大值，而且也确保在同一功率下频率为5.8GHz的转换效率达到最大值。

    五、本发明的输入滤波结构为双频率带通滤波器或者电容，双频率带通滤波器可以抑制后面整流二极管非线性产生的谐波，减少其对接收天线的性能影响，能够很好的抑制高次谐波；由于本发明的双频率接收天线具有抑制高次谐波的作用，所以可以将输入滤波结构设为一电容，电容不仅像双频带通滤波器一样抑制高次谐波，并且保护天线的阻抗不受反向电流的影响，使得本发明能够进一步实现小型化的目的。

六、本发明的输出滤波结构为电容，输出滤波结构配合输入滤波结构将谐波抑制在整流电路中，提高整流效率。并且，消除输出滤波结构的纹波，使输出电压波形更平滑。

附图说明

图1是本发明的双频率接收天线的左视图结构示意图；

图2是本发明的双频率接收天线的主视图结构示意图；

图3是本发明的双频率接收天线的俯视图结构示意图；

图4是现有的倍压拓扑结构示意图；

图5是本发明的倍压拓扑结构示意图；

图6是本发明双频率整流天线结构示意图；

图7是双频率接收天线的S参数曲线；

图8是双频率带通滤波器的结构版图；

     图9是天线和滤波器联合仿真的S参数；

     图10是负载在不同功率下输出的波形；

    图11（a）是2.45GHz的整流天线的转换效率图；

    图11（b）是5.8GHz的整流天线的转换效率图；

    图12（a）是2.45GHz频率的S参数曲线；

    图12（b）是5.8GHz频率的S参数曲线；

    图13（a）是2.45GHz频率的谐波抑制图；

    图13（b）是5.8GHz频率的谐波抑制图；

图中标记：1、空气介质层，2、介质基片层，3、金属接地板，4、同轴线，5、横槽，6、辐射贴片，7、Z型槽，8、金属片。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

本实施例的双频率接收天线，包括矩形辐射贴片，辐射贴片开设有用于实现双频特性的Z型槽，所述辐射贴片的下端经同轴线依次连接有FR4介质基片层和金属接地板，同轴线与后端电路连接，所述辐射贴片与FR4介质基片层之间形成有空气介质层，所述辐射贴片与FR4介质基片层之间的同轴线外左右对称的设置有金属片，所述金属片上端与辐射贴片连接，下端与FR4介质基片层连接；所述辐射贴片的一端面还连接有与FR4介质基片层连接的金属片。

本实施例，矩形贴片的长度为17.4mm，宽度为13mm，FR4介质基片层为环氧玻璃纤维板，FR4介质基片层的高度为1.6mm。

进一步地，所述金属接地板还开设有横槽，本实施例的横槽的宽度为2mm，长度为18mm，距离同轴线圆心6mm处。

进一步地，所述同轴线的阻值为50。

   辐射贴片端面设置的与FR4介质层连接的金属片相当于PIFA天线的短路片一样，起到减少尺寸的作用，使天线的宽从34mm减小到了26mm。本发明设计的接收天线秉承了传统PIFA天线的双频率和小型化的特性，而且具有抑制谐波的特性。

实施例二

本实施例的双频率接收天线，包括矩形辐射贴片，辐射贴片开设有用于实现双频特性的Z型槽，所述辐射贴片的下端经同轴线依次连接有Arlon 25N（阿尔隆25N，聚四氟乙烯）介质基片层和金属接地板，同轴线与后端电路连接，所述辐射贴片与Arlon 25N介质基片层之间形成有空气介质层，所述辐射贴片与Arlon 25N介质基片层之间的同轴线外左右对称的设置有金属片，所述金属片上端与辐射贴片连接，下端与Arlon 25N介质基片层连接；所述辐射贴片的一端面还连接有与Arlon 25N介质基片层连接的金属片。

本实施例，矩形贴片的长度为17.7mm，宽度为13.2mm，Arlon 25N介质基片层为环氧玻璃纤维板，Arlon 25N介质基片层的高度为2.8mm。

进一步地，所述金属接地板还开设有横槽，本实施例的横槽的宽度为2mm，长度为18mm，距离同轴线圆心6mm处。

进一步地，所述同轴线的阻值为50。

本发明的介质基片层还可以采用其他类型的介质基片层，本领域的技术人员能够明白和理解。

本发明的接收天线是基于传统的PIFA天线理论所设计而成。通过对传统的PIFA天线进行改造，并引入地面开槽技术和谐波抑制技术，使该天线的性能更优。该接收天线不仅可应用于微波输能，还可以应用于通信等领域。

实施例三

本实施例的双频率整流天线，包括上述的双频率接收天线（实施例一或者实施例二），所述双频率接收天线经其同轴线依次串联连接有输入滤波结构、整流电路和输出滤波结构，所述输入滤波结构、整流电路和输出滤波结构连接有匹配电路。

进一步地，所述整流电路为倍压拓扑结构，所述倍压拓扑结构包括射频输入端和负载直流输出端， 所述射频输入端与负载直流输出端连接，所述射频输入端与负载直流输出端之间还连接有三支路，所述第一支路串联连接有一电容和一二极管，二极管的负极与电容连接，二极管的正极接地连接；所述第二支路为一二极管，所述二极管的负极接地连接；所述第三支路为一电容，所述电容的另一端接地连接。

此新型的倍压电路是将两个并联的二极管与电容结合而构成的。电容具有隔直通交的特性，电容对于射频端呈现短路状态；而对于负载直流端，则电容呈现开路状态。因此，此倍压拓扑结构对于射频端，两个二极管呈并联形式；而对于负载直流端，由于电容呈现开路状态，则负载端与一个二极管呈串联形式。若在此倍压拓扑结构中的两个二极管为相同型号，对于射频端的输入阻抗是单个二极管阻抗的一半，而对于负载直流端的输入阻抗是一个二极管的阻抗。由此可见，负载直流端的输入阻抗是射频端的输入阻抗的两倍，达到输出电压加倍的效果。射频输入能量通过两个并联二极管实现整流，将射频能量转换成直流能量，并和电容构成这种新型的拓扑电路，在负载端达到倍压的效果，输出直流能量。并且，对于射频端二极管呈并联形式，则输入阻抗变小，匹配电路的设计较容易。若有一个二极管被毁坏，则此电路变为一个二极管并联的拓扑结构。虽然由于在这种情况下会造成电路的阻抗不匹配，引起整流电路的效率下降，但是还是比传统的倍压电路更可靠。

整流电路采用如图5所示的倍压拓扑结构来完成射频能量到直流能量的整流。倍压拓扑结构的二极管选用HSMS2860型号的二极管，具有较小的结电容，损耗电阻，及较高的击穿电压的优点。与传统的整流电路中的倍压拓扑结构不同的是，此倍压电路是将二极管与电容结合构成一种新型的倍压电路。由于电容对于射频端呈现短路状态，而对于负载直流端，则电容呈现开路状态。因此，此倍压拓扑结构对于射频端，两个二极管呈并联形式；而对于负载直流端，由于电容呈现开路状态，则负载端与一个二极管呈串联形式。若在此倍压拓扑结构中的两个二极管为相同型号，对于射频端的输入阻抗是单个二极管阻抗的一半，而对于负载直流端的输入阻抗是一个二极管的阻抗。由此可见，负载直流端的输入阻抗是射频端的输入阻抗的两倍，达到输出电压的效果。并且，对于射频端二极管呈并联形式，则输入阻抗变小，匹配电路的设计较容易。若有一个二极管被毁坏，则此电路变为一个二极管并联的拓扑结构。虽然由于在这种情况下会造成电路的阻抗不匹配，引起整流电路的效率下降，但是还是比传统的倍压电路更可靠。

进一步地，所述匹配电路包括第一段L型匹配枝节，第二段匹配枝节和第三段L型匹配枝节，所述第一段L型匹配枝节实现输入滤波结构与整流电路之间的匹配；所述第二段匹配枝节为用于实现第一段L型匹配枝节与整流电路之间匹配的高阻线匹配枝节；所述第三段L型匹配枝节实现整流电路和输出滤波结构之间的匹配。

第一段和第三段L型匹配枝节具有同样的原理。采用的是频率为5.8GHz下的半波长开路枝节作为匹配电路并联在整流电路中。为了减小尺寸，将开路枝节对折为L型开路枝节。此结构在频率为5.8GHz下呈开路状态，不会影响5.8GHz下整流电路阻抗匹配的调节。对于2.45GHz，此结构为独立的调谐元件。第一段L型匹配枝节实现的是输入滤波器和整流电路之间的匹配电路，而第三段L型匹配枝节实现的是整流电路和输出滤波电路之间的匹配。而第二段匹配电路在第一段匹配电路和整流电路之间，为高阻线匹配枝节。此匹配枝节抑制二极管产生的射频能量，并与前面的输入滤波器一起防止射频能量的泄露到接收天线中。L型开路枝节不仅方便调谐，较容易地达到阻抗匹配，而且其开路结构在加工中容易实现。

调节各匹配枝节的尺寸，使其两个频率下的整流天线的最大输出效率达到最优值，即不仅使整流天线在频率为2.45GHz下的转换效率达到最大值，而且也要确保在同一功率下频率为5.8GHz的转换效率达到最大值。

进一步地，所述输入滤波结构为双频率带通滤波器。双频带通滤波器采用微带传输线和开路枝节实现，可以抑制后面整流二极管非线性产生的谐波，减少其对接收天线的性能影响，能够很好的抑制高次谐波。通过对低通原型滤波器进行两次频率变换，得到双频率带通滤波器。该滤波器采用微带传输线和开路枝节实现，具有对称性，结构版图如图8所示。该输入滤波器可以抑制后面整流二极管非线性产生的谐波，减少其对接收天线的性能影响，将天线与滤波器联合仿真如图9所示。

本实施例的输出滤波结构采用10nF的电容作为输出滤波器，配合输入滤波器将谐波抑制在整流电路中，提高整流效率。并且，消除输出滤波器的纹波，使输出电压波形更平滑。由于整个电路中的元件封装参数的影响，会导致负载输出波形变差，将加入等效为并联电容的扇形开路枝节，配合旁路电容一起消除纹波，平滑波形。为了减小负载端的改变对整流电路性能的影响，负载端将采用一个扼流电感。最后，整流天线的输出波形如图10所示。

采用HFSS和ADS仿真软件进行了整流天线的仿真，此接收天线S参数曲线如图7所示。接收天线在两个频率下的增益分别为6.07 dB和6.54dB。并且，2.45和5.8 GHz下的二次谐波分别为 2.9 dB和2.56dB，三次谐波分别为 3.7 dB和2.27 dB。发射天线采用喇叭天线将电磁波能量发射到自由空间，并用本实施例的接收天线接收，然后，射频能量通过50的同轴线馈入到后端的电路中。射频能量再通过隔直电容、L型匹配枝节，以及新型的倍压拓扑电路实现射频能量和直流能量的转换。最后，将直流能量经过扇形滤波器和旁路电容进行滤波整形，通过扼流电感，输送到负载端。通过调节短路枝节，实现在2.45GHz和5.8GHz的转换效率最大，其最大值在功率为16.5dBm下分别为69.3%和56.5%。2.45GHz的整流天线的转换效率如图11（a），5.8GHz的整流天线的转换效率11（b）所示。在功率为16.5dBm时，两个频率下的S11参数分别为-23.dB和-14.17dB，S参数曲线如图12（a）、12（b）所示，12（a）为2.45GHz  S参数曲线，12（b）为5.8GHz S 参数曲线。谐波抑制如图13（a）、13（b）所示，13（a）为2.45GHz谐波抑制图，13（b）为5.8GHz谐波抑制图，其一次谐波分别为-101.5 dBm和-37.4 dBm，各个高次谐波都在-20dBm以下，谐波抑制较好。

实施例四

本实施例的双频率整流天线，包括上述的双频率接收天线（实施例一或者实施例二），所述双频率接收天线经其同轴线依次串联连接有输入滤波结构、整流电路和输出滤波结构，所述输入滤波结构、整流电路和输出滤波结构连接有匹配电路。

进一步地，所述整流电路为倍压拓扑结构，所述倍压拓扑结构包括射频输入端和负载直流输出端， 所述射频输入端与负载直流输出端连接，所述射频输入端与负载直流输出端之间还连接有三支路，所述第一支路串联连接有一电容和一二极管，二极管的负极与电容连接，二极管的正极接地连接；所述第二支路为一二极管，所述二极管的负极接地连接；所述第三支路为一电容，所述电容的另一端接地连接。

进一步地，所述射频输入端与负载直流输出端之间还串联连接有扼流电感。

进一步地，所述匹配电路包括第一段L型匹配枝节，第二段匹配枝节和第三段L型匹配枝节，所述第一段L型匹配枝节实现输入滤波结构与整流电路之间的匹配；所述第二段匹配枝节为用于实现第一段L型匹配枝节与整流电路之间匹配的高阻线匹配枝节；所述第三段L型匹配枝节实现整流电路和输出滤波结构之间的匹配。

进一步地，所述输入滤波结构为电容。

进一步地，所述输出滤波结构为电容。

本发明的双频率接收天线，是通过对传统的PIFA天线进行改造而得到的，通过地面开槽技术增加了接收天线的增益，解决了传统PIFA天线增益较小的问题，使该整流天线能够接收更弱的能量，适应于更远距离的能量传输。通过在辐射贴片左右两对称边加入尺寸相同的金属片，减少了产生的高次模式，抑制了谐波，使后端的输入滤波器可以被一个隔直电容所取代，从而减少了整流天线的整体尺寸；提高了传统PIFA天线的性能，为谐波抑制和高增益天线提供了一种设计思路。

    本发明设计的整流电路，其新颖的倍压拓扑结构对倍压电路提供了一个新的思路。通过电容隔直通交的特性，使两个二极管对于射频端口为并联，对于直流端口为串联，实现了倍压的效果。并且，较传统的倍压拓扑电路，可靠性更高。该设计结构新颖，可靠性高，可以广泛应用于整流电路中。

本发明设计的双频率整流天线，可以通过简单地调节L型匹配枝节就可以完成2.45和5.8GHz双频率整流天线的转换效率。并且，减小了在同一个整流电路中两个频率之间的相互影响。该技术调谐方便，解决了在同一个整流电路中两个频率下的匹配问题，使提高双频率整流天线的转换效率提供了有效途径。该调谐技术不仅可以应用于双频率整流天线的整流电路设计，而且还可以广泛的应用于任何小尺寸的双频率电路的匹配。

整个整流天线的设计结构新颖，性能优良，可靠性高，其特性可以广泛应用于如通信，医疗，工业等微波输能的各个领域中。

Claims (1)

1.一种双频率整流天线，包括双频率接收天线，其特征在于，所述双频率接收天线包括矩形辐射贴片，所述辐射贴片开设有用于实现双频特性的Z型槽，所述辐射贴片的下端经同轴线依次连接有介质基片层和金属接地板，所述金属接地板还开设有横槽，同轴线与后端电路连接，所述辐射贴片与介质基片层之间形成有空气介质层，所述辐射贴片与介质基片层之间的同轴线外左右对称地设置有金属片；所述金属片上端与辐射贴片连接，下端与介质层连接；所述辐射贴片的一端面还连接有与介质层连接的金属片；所述双频率接收天线经其同轴线依次串联连接有输入滤波结构、整流电路和输出滤波结构，所述输入滤波结构、整流电路和输出滤波结构连接有匹配电路；所述整流电路为倍压拓扑结构，所述倍压拓扑结构包括射频输入端和负载直流输出端，所述射频输入端与负载直流输出端连接，所述射频输入端与负载直流输出端之间还连接有三支路，所述第一支路串联连接有一电容和一二极管，二极管的负极与电容连接，二极管的正极接地连接；所述第二支路为一二极管，所述二极管的负极接地连接；所述第三支路为一电容，所述电容的另一端接地连接。

2.根据权利要求1所述的双频率整流天线，其特征在于：所述射频输入端与负载直流输出端之间还串联连接有扼流电感。

3.根据权利要求1或2所述的双频率整流天线，其特征在于：所述匹配电路包括第一段L型匹配枝节，第二段匹配枝节和第三段L型匹配枝节，所述第一段L型匹配枝节实现输入滤波结构与整流电路之间的匹配；所述第二段匹配枝节为用于实现第一段L型匹配枝节与整流电路之间匹配的高阻线匹配枝节；所述第三段L型匹配枝节实现整流电路和输出滤波结构之间的匹配。

4.根据权利要求3所述的双频率整流天线，其特征在于：所述输入滤波结构为双频率带通滤波器或者电容。

5.根据权利要求4所述的双频率整流天线，其特征在于：所述双频带通滤波器采用微带传输线和开路枝节实现。

6.根据权利要求4所述的双频率整流天线，其特征在于：所述输出滤波结构为电容。