CN104300697A - 一种分离式接收整流电路 - Google Patents

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梁西铭
张海光
张佳
胡霄
操炜鼎
张帆
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    • H02M7/10—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode arranged for operation in series, e.g. for multiplication of voltage
    • H02M7/103—Containing passive elements (capacitively coupled) which are ordered in cascade on one source

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Abstract

本发明提供了一种分离式接收整流电路，接收天线和整流电路制作在不同的介质基片上，二者使用射频电缆进行连接；接收天线由四个垂直极化的微带矩形贴片天线组成接收阵列，整流电路包括匹配滤波器、倍压整流电路和直流负载；匹配滤波电路实现接收天线与倍压整流电路的整流二极管之间的匹配并使基波无损耗通过，反射高次谐波；倍压整流电路通过将微波信号经整流二极管和电容震荡后产生直流电压；直流负载将直流电流转化为电压输出。本发明易于平面制造，使用灵活，易于组阵。

Description

一种分离式接收整流电路
技术领域
本发明涉及微波无线能量传输领域，具体涉及一种微波能量的接收和转换装置——平面印刷整流电路，用于将微波能量转换成直流电。
背景技术
太阳每秒钟供给地球的能量达到4.1×1013千卡，相当于每秒钟燃烧500万吨优质煤所发出的能量。散失在太空中的太阳能要比供给地球的能量多22亿倍。若将巨大的太阳能电池阵放置在地球轨道上，能够将用之不竭的太阳能转化成数千兆瓦级的电能，能量转换装置将电能转换成微波(微波发射机)，再利用太空高功率天线阵向地面发送微波能，微波能传输到地面微波接收站，大规模接收天线阵将接收到的微波能转变成电能。
1975年加州理工学院在实验室演示了所建立的微波输电系统，该系统接收天线所截获能量的84％被转换成直流功率，整流天线的直流功率达30kW。1987年加拿大成功地让翼幅为4.5m的飞机在微波功率的驱动下，在低空飞行了20min。帕劳可在海伦岛架设一条直径260英尺(约79米)的整流天线(硅整流二极管天线)，用以接收一颗在地球上空300英里(约482公里)处运行的卫星传输的1兆瓦特的微波能量。日本邮政省通信综合研究所和神户大学工学部于1995年成功地开发了利用微波输送5kW电力的无线输电系统。
早期的接收整流天线一般为抛物面天线或喇叭天线，但天线体积大、重量高、不易组阵；此后，多用铝条做成半波偶极子天线用于接收，在一定程度上减小了接收天线的重量和体积；现在，为进一步减轻重量和节省金属材料，印刷电路接收整流天线成为研究的重点，同时为便于整流天线与用电设备进行集成及小型化、便携式的需求，接收天线和整流电路多进行一体化设计，这种接收整流天线体积小、重量轻，但接收能量较低，多采用单个天线直接安装在低功率用电设备表面上使用。
发明内容
为了克服现有技术安装方式固定、不易组阵接收大功率能量等不足，本发明提供一种易于平面制造的接收整流电路，使用灵活、易于组阵。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括接收天线和整流电路，所述的接收天线和整流电路用印刷电路制作在不同的介质基片上，二者使用射频电缆进行连接；所述的接收天线制作在双面覆铜介质基片上，由四个垂直极化的微带矩形贴片天线组成接收阵列，天线接收阻抗和射频电缆的阻抗匹配；所述的整流电路包括匹配滤波器、倍压整流电路和直流负载；匹配滤波电路实现接收天线与倍压整流电路的整流二极管之间的匹配并使基波无损耗通过，反射高次谐波；倍压整流电路通过将微波信号经整流二极管和电容震荡后产生直流电压；直流负载将直流电流转化为电压输出。
所述的射频电缆采用低损耗同轴线缆，射频电缆两端的接头均为SMA连接器。
所述的接收天线中，四个垂直极化的微带矩形贴片天线两两串联后并联接入一个功分网络，形成一个均匀平面阵，功分网络对天线阻抗加以匹配，同时保证馈电的幅度、相位为等幅同相。
所述的整流电路中，匹配滤波器、倍压整流电路和直流负载印刷在两面覆盖金属铜薄膜的介质基片的一面，介质基片的另一面为接地面。
所述的倍压整流电路采用四倍压整流电路。
所述的倍压整流电路包括第一整流二极管对、第二整流二极管对和第一耦合电容、第二耦合电容、第三耦合电容、第四耦合电容，第一耦合电容和第二耦合电容并接在匹配滤波器一端，第一整流二极管对由两个二极管同向串联组成，串联后的正端接地，负端通过第四耦合电容接地，串联二极管的正负极连接处与第一耦合电容相连；第二整流二极管对由两个二极管同向串联组成，串联后的正端通过第四耦合电容接地，负端通过直流负载接地，串联二极管的正负极连接处与第二耦合电容相连，第三耦合电容跨接在第二整流二极管对的正负端之间。
本发明的有益效果是：
第一、体积小、剖面低，结构简单、易于加工。
第二、接收天线和整流电路采用分离式设计，之间采用射频电缆连接，使用灵活，相比整流阵列制作在同一介质基片上，更易组阵。
第三、接收天线采用四单元阵列结构，具有较高的增益，且使用一个射频连接器进行馈电，利于组阵。
第四、整流电路所有组成部分均在介质板一侧，易于制版加工。
附图说明
图1是接收整流电路电气连接示意图。
图2是接收天线结构示意图。
图3是射频电缆结构示意图。
图4是整流电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明通过对接收天线、整流电路进行分离式设计，用印刷电路制作在不同的介质基片上，二者使用射频电缆进行连接，保证了接收天线可以密集组阵，减小了整流电路的安装对接收天线阵的影响，同时针对接口参数进行阻抗匹配优化设计，在使用灵活的同时具有较高的整流效率。
本发明接收整流电路由接收天线、射频电缆、整流电路组成。接收天线制作在双面覆铜介质基片上，由四个垂直极化的微带矩形贴片天线组成接收阵列，其馈电网络完成射频信号功率的合成及天线端口和馈电端口间的阻抗匹配，使天线阵只需一个射频连接器即可对整个阵列馈电。
射频电缆采用低损耗同轴线缆，两个接头均为SMA连接器。
整流电路由以下几部分组成：匹配滤波器、倍压整流电路、直流负载。其利用整流二极管的单向导通特性，将大小和方向都随时间变化的交流电压变为脉动的直流。匹配滤波电路实现接收天线与整流二极管之间的匹配及使基波无损耗通过，并反射由非线性元件整流二极管产生的高次谐波；倍压整流电路通过将微波信号经整流二极管和电容震荡后产生直流电压。本发明应用四倍压整流电路，该结构可以提高电路阻抗匹配的范围，扩大整流电路对输入微波功率的适应性。直流负载将输出电流转化为电压输出，负载阻值越高，输出电压越大。
如图1所示，本发明由接收天线1、射频电缆2、整流电路3组成。其中接收天线1采用印刷电路制作在介质基片上，由微带天线串并联组成，如图2所示，微带天线11和微带天线12、微带天线13和微带天线14分别串联，再并联组成接收天线阵列，天线阵列为2×2均匀平面阵，确保天线发射场的方向垂直于天线阵平面，功分网络15利用阻抗变换对天线阻抗加以匹配，同时保证馈电的幅度、相位为等幅同相。天线阵列采用一个射频连接器进行馈电，天线阵列输入阻抗为50Ω。
如图3所示，射频电缆2由射频连接器21、23和同轴线缆22组成，同轴线缆22选用低损耗线缆，且长度不易过长，以减少能量在电缆上的损耗。
如图4所示，整流电路3由匹配滤波器301、倍压整流电路302、直流负载303组成，以上部分均采用印刷电路制作在同一介质基片上，采用印刷技术在介质基片的两面覆盖金属铜薄膜，一面为整流功能电路，另一面为接地面，整流电路工作频率为2.45GHz。匹配滤波器301用于接收天线1和整流二极管304、305之间的阻抗匹配，其输入阻抗等于接收天线的输入阻抗，且其输出阻抗等于整流二极管的输入阻抗，同时使基波无损耗通过，反射由非线性元件整流二极管产生的高次谐波，使得整流二极管的RF-DC转换效率最大。倍压整流电路302由第一整流二极管对304、第二整流二极管对305和第一耦合电容306、第二耦合电容307、第三耦合电容308、第四耦合电容309组成，第一耦合电容306和第二耦合电容307跨接在微波能量通路上，起到隔直通交的作用，第一整流二极管对304由两个二极管串联组成，串联二极管的正负极连接处与第一耦合电容307相连，其串联的正端接地，其负端通过第四耦合电容309接地，消除纹波，减小负载端的改变对整流电路性能的影响；第二整流二极管对305的正负极连接处与第二耦合电容306相连，其串联的正端通过第四耦合电容309接地，负端通过直流负载303接地，第三耦合电容308跨接至第二整流二极管对305的正负端，起到能量耦合的作用。
直流负载303将电流转化为电压输出，当整流电路收到2.45GHz的微波能量时，可在负载电阻310上检测直流功率，随着负载电阻310阻值的增加，输出电压将变大。整流电路3通过射频连接器311与射频电缆2连接至接收天线1，完成整个接收整流电路的组装。
采用本实施方式的接收整流电路，性能优良，可靠性高，使用灵活，将其组阵可用于小型飞行器、飞艇等具有较大表面的空中载体，同时只需将整流电路部分进行结构密封即可应用于森林防火监控、野外无人监控站点的设备的供电，避免接收天线罩对微波能量的损耗。

Claims (6)

1.一种分离式接收整流电路，包括接收天线和整流电路，其特征在于：所述的接收天线和整流电路用印刷电路制作在不同的介质基片上，二者使用射频电缆进行连接；所述的接收天线制作在双面覆铜介质基片上，由四个垂直极化的微带矩形贴片天线组成接收阵列，天线接收阻抗和射频电缆的阻抗匹配；所述的整流电路包括匹配滤波器、倍压整流电路和直流负载；匹配滤波电路实现接收天线与倍压整流电路的整流二极管之间的匹配并使基波无损耗通过，反射高次谐波；倍压整流电路通过将微波信号经整流二极管和电容震荡后产生直流电压；直流负载将直流电流转化为电压输出。
2.根据权利要求1所述的分离式接收整流电路，其特征在于：所述的射频电缆采用低损耗同轴线缆，射频电缆两端的接头均为SMA连接器。
3.根据权利要求1所述的分离式接收整流电路，其特征在于：所述的接收天线中，四个垂直极化的微带矩形贴片天线两两串联后并联接入一个功分网络，形成一个均匀平面阵，功分网络对天线阻抗加以匹配，同时保证馈电的幅度、相位为等幅同相。
4.根据权利要求1所述的分离式接收整流电路，其特征在于：所述的整流电路中，匹配滤波器、倍压整流电路和直流负载印刷在两面覆盖金属铜薄膜的介质基片的一面，介质基片的另一面为接地面。
5.根据权利要求1所述的分离式接收整流电路，其特征在于：所述的倍压整流电路采用四倍压整流电路。
6.根据权利要求1所述的分离式接收整流电路，其特征在于：所述的倍压整流电路包括第一整流二极管对、第二整流二极管对和第一耦合电容、第二耦合电容、第三耦合电容、第四耦合电容，第一耦合电容和第二耦合电容并接在匹配滤波器一端，第一整流二极管对由两个二极管同向串联组成，串联后的正端接地，负端通过第四耦合电容接地，串联二极管的正负极连接处与第一耦合电容相连；第二整流二极管对由两个二极管同向串联组成，串联后的正端通过第四耦合电容接地，负端通过直流负载接地，串联二极管的正负极连接处与第二耦合电容相连，第三耦合电容跨接在第二整流二极管对的正负端之间。
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