CN104767027A - 一种基于wifi频段的微带差分整流天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于WIFI频段的高输出电压微带差分整流天线，包括微带接收天线和微带差分整流电路，所述微带接收天线和微带差分整流电路制作在双面覆铜介质基片上层金属层；所述微带接收天线和微带差分整流电路通过SMA公母接头连接。本发明采用蝶形开缝技术，使天线具有高方向增益，宽工作频带和低损耗；采用微带线馈电方式，易于组成多单元阵列，可应用于大功率场合；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；整流电路采取对称结构，缩小电路尺寸，降低系统复杂度与加工难度，提高集成度；整流电路采用差分电压输出，整个设计无过孔，寄生参数小，系统性能好，输出电压高。
Description
技术领域
本发明涉及无线能量传输领域，更具体地涉及一种基于WIFI频段的微带差分整流天线。
背景技术
无线输能（WPT ：Wireless Power Transmission）技术打破了能量通过电缆传输的传统模式，它是以微波辐射，电磁感应等方式其能量进行无线传输。其中微波输能(MPT ：Microwave Power Transmission)以其传输距离远，距离效率比高，方向灵活，易于集成等优点，在200年前就受到科学界的关注。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美国与日本，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。
接收整流天线是MPT 系统的关键技术环节。为了适应电子设备小型化和便携式的需求，要求整流天线体积小、重量轻。同时整流天线还应能在较小的输入功率下输出足够的电压来驱动后级负载。贴片微带线剖面低，采用平面印刷工艺，可以满足整流天线小型化的要求。共面波导（CPW）具有容易制作，容易实现无源、有源器件在微波电路中的串联和并联(不需要在基片上穿孔)，容易提高电路密度等优点。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，可使得工作在毫米波段的整流天线的尺寸进一步减小其。然而，由于整流天线复杂的微带线结构在电路工作时容易产生寄生电容与寄生电感，影响装置接收性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于WIFI频段的微带差分整流天线，来实现减小寄生效应，提高输出电压，易于组阵。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于WIFI频段的微带差分整流天线，包括微带接收天线和微带差分整流电路，所述微带接收天线和微带差分整流电路制作在双面覆铜介质基片上层金属层；所述微带接收天线和微带差分整流电路通过SMA公母接头连接；
所述微带差分整流电路包括波长阻抗匹环节，中心三次谐波抑制环节，第一至第四微带线，第一和第二二极管，第一和第二基波抑制环，直流负载；所述微带接收天线通过SMA公母接头连接至微带差分整流电路的波长阻抗匹环节之后引出第一支路和第二支路，所述第一和第二支路通过中心三次谐波抑制环节连接；所述第一支路由第一和第二微带线、第一二极管和第一基波抑制环节构成，第一微带线、第一二极管、第一基波抑制环节、第二微带线顺次连接；所述第二支路由第三和第四微带线、第二二极管和第二基波抑制环节构成，第三微带线、第二二极管、第二基波抑制环节、第四微带线顺次连接；所述第二和第四微带线之间连接直流负载；所述第一和第二二极管在微带差分整流电路是反向串联连接的。
本发明中微波能量从中心三次谐波抑制环节往两个支路流动，微波入射与二极管产生的回流三次谐波通过该三次谐波抑制环节进行抑制；第一和第二两支路构成对称的支路将微波能量分成两等分，从而使二极管得到的功率变化幅度减为原来的二分之一，从而减小其阻抗变化幅度，提高系统的功率带宽；三次谐波抑制环节能够作同时作用于两条支路，简化电路环节，减小插入损耗和实际加工难度；对称差分结构从负载端看进去相当于将前级阻抗减小，跨接形成的差分输出电压比传统单个支路输出电压要高；差分电压输出跨接在直流负载上，相比传统单个支路负载减小了过孔环节，从而减小寄生参数影响，提高系统性能，降低实际加工难度与复杂度。
所述微带接收天线是开缝改造的共面波导全向蝶形天线，包括中心馈线，梯形裸露介质区域，顺延开缝区域，T型功分器；所述中心馈线位于双面覆铜介质基片上层金属层的中心，中心馈线与SMA公接头连接；所述梯形裸露介质区域位于中心馈线两侧；所述顺延开缝区域将双面覆铜介质基片上层金属层分割成地平面和导体平面；所述中心馈线通过T型功分器与双面覆铜介质基片的上层金属层的导体平面相连；所述地平面与SMA公接头的接地口相连。
本发明中开缝改造共面波导全向蝶形天线位于双面覆铜介质基片上层金属层其中心馈线设计在覆铜区域中心，与SMA的公头的馈电连接点相连；梯形裸露介质区域在中心馈线两侧形成CPW馈电模式顺延开缝区域位梯形裸露介质区域的右边角延长线上，用于分割双面覆铜介质基片地平面与导体平面；中心馈线通过T型功分器与导体平面相连；地平面与SMA公头的地接口相连。采用CPW蝶形开缝技术实现天线的高增益，宽频带和低损耗，保证二极管能够得到较高射频能量，使整流电路实现高转换效率。
所述中心三次谐波抑制环节是一个弧度为120度的扇形结构，所述基波抑制环是一个弧度为120度的扇形结构；该天线系统阻抗为50欧姆；所述第一和第二二极管是零偏置检波二极管。本发明中通过调节中心馈电线的长度和宽度以及蝶形天线的结构使天线系统阻抗为50欧姆。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用蝶形开缝技术，使天线具有高方向增益，宽工作频带和低损耗；
2、采用微带线馈电方式，易于组成多单元阵列，可应用于大功率场合；
3、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；
4、整流电路采取对称结构，缩小电路尺寸，降低系统复杂度与加工难度，提高集成度；
5、整流电路采用差分电压输出，整个设计无过孔，寄生参数小，系统性能好，输出电压高。
附图说明
图1是本发明的整流天线顶视图；
图2是本发明的整流天线侧视图；
图3是本发明的共面波导全向蝶形天线结构示意图；
图4是本发明的差分结构微带整流电路结构示意图；
其中，1表示蝶形全向天线，2表示微带差分结构整流电路，3表示梯形裸露介质区域，4表示顺延开缝区域，5表示中心馈线，6表示SMA公母交接头，7表示阻抗匹配环节，8、9表示前级连接直角微带线，10表示扇形三次谐波抑制环节，11、12表示二极管，13、16表示基波抑制扇形环节，14、15表示二次谐波抑制扇形环节，17、19表示后级直角微带线，18表示后级直流负载，20表示R4环氧树脂介质基板的上层金属面，21表示四氟乙烯介质基板的上层金属面，22表示T型功分器。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
参见附图1-4，本实施例一种基于Wifi频段的高输出电压微带差分结构整流天线，包括一个开缝改良CPW蝶形全向天线1和微带差分结构整流电路2， CPW蝶形全向天线1制作在面积为30mm*45mm的双面覆铜的FR4环氧树脂介质基板的上层金属面20上，下层为裸露介质层，无覆铜。其组成包括：梯形裸露介质区域3、顺延开缝区域4、中心馈线5、T型功率分配器22、SMA公母交接头6。基板介质的介电常数为4.4，厚度为1.6mm，金属层铜箔厚度为0.035mm，损耗正切角为0.02。天线系统阻抗为50欧姆，工作在WIFI频段上，中心馈线5的宽度为1mm,长度为14.0mm。阴影部分为介质裸露部分，空白部分为覆铜部分。中心馈线5两侧的缝隙宽度为0.6mm，在长度1mm处于两个周对称的梯形介质区域3连接，梯形区域上底为12.3mm，下底为1.83mm，高为18.7mm。在两个对称梯形的上底右角设计两条顺延开缝区域4，缝隙宽度为0.1mm。中心馈线5与SMA公母交接头6相连，后端通过T型功分器22与导体平面连接。天线工作频段为WIFI频段，系统阻抗为50欧姆。
本实施例中天线的中心馈线5设计在双面覆铜的FR4环氧树脂介质基板的上层金属面20的中心，与SMA公母交接头6的公头的馈电连接点相连；梯形裸露介质区域3在中心馈线5两侧形成蝶形CPW馈电模式，顺延开缝区域4位于梯形裸露介质区域的右边角延长线上，用于分割双面覆铜介质基片20的地平面与导体平面；中心馈线5通过T型功分器22与导体平面相连；地平面与SMA公母交接头6的公头的地接口相连。采用CPW蝶形开缝技术实现天线的高增益，宽频带和低损耗，保证二极管能够得到较高射频能量，使整流电路实现高转换效率。
微带差分结构整流电路2制作在面积为53.4mm*38.9mm的双面覆铜聚四氟乙烯介质基板的上层金属面21上，组成包括：四分之一波长阻抗匹配环节7、对称二极管前级连接直角微带线8和9、中心扇形三次谐波抑制环节10，互为反向连接的二极管11和12，互为对称的后级基波抑制扇形环节13和16、互为对称的后级二次谐波抑制扇形环节14和15、后级直角微带线17和19以及直流负载。四分之一波长阻抗匹配7通过SMA公母交接头6与天线中心馈线5连接，天线接收的微波能量从交接头6出流入。环节的设计按照天线阻抗50欧姆作为源阻抗，使后级系统阻抗匹配到天线阻抗，并在接入后需要进行特别的二次调谐，使系统整体性能达到最优；匹配环节7与前级直角微带线8和9，以及中心三次谐波抑制环节10通过一个十字结相连，三次谐波抑制环节的扇形弧度为120度，用来抑制外来的与二极管工作时的非线性产生的三次谐波能量，其余微波能量在十字结处分为两等分往后移动；直角微带线8与二极管11的阳极相连，微带线9与二极管12的阴极相连，微波能量进入二极管，转化为直流能量和少量的二次谐波与三次谐波，另外还有一部分基波频率没有被整流，向后流动。二极管11和12为肖特基势垒零偏置检波二极管，型号为MA/COM MA4E1317，封装为ODS-1278；二极管11的阴极通过一条微带线与后级基波与二次谐波抑制环节13和14相连，二极管12的阳极通过一条微带线与后级基波与二次谐波抑制环节15和16相连，微波能量在直通滤波器处完全被反弹，重新进入二极管进行进一步整流，提高系统性能。13-16的扇形环节的弧度均为120度；最后二极管整流而得的直流能量通过直通滤波器，到底后级直流负载18，以供进一步利用。
本实施例中微波能量从中心三次谐波抑制环节10往两个支路流动，微波入射与二极管产生的回流三次谐波通过该三次谐波抑制环节10进行抑制；第一和第二两支路构成对称的支路将微波能量分成两等分，从而使二极管11、12得到的功率变化幅度减为原来的二分之一，从而减小其阻抗变化幅度，提高系统的功率带宽；三次谐波抑制环节10能够作同时作用于两条支路，简化电路环节，减小插入损耗和实际加工难度；对称差分结构从直流负载端看进去相当于将前级阻抗减小，跨接形成的差分输出电压比传统单个支路输出电压要高；差分电压输出跨接在直流负载上，相比传统单个支路负载减小了过孔环节，从而减小寄生参数影响，提高系统性能，降低实际加工难度与复杂度。
采用本实施方案的基于WIFI频段的微带整流天线，其能量装换效率可以达到60%以上的效率。在负载为2000欧姆，输入功率仅为5dBm的WIFI频段微波条件下，直流输出仍能达到1.2V以上。在输入功率为16dBm的情况下，单个天线元素的效率能达到60%以上。在输入功率为20dBm的情况下，最大输出电压能达到10.82V，射频分量在0.1%以下，能很好地被抑制在电路间，被二极管重复整流利用。且天线与折叠式对称电路面积小，馈线为微带馈线，易于组阵，可灵活应用于大功率场合。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于WIFI频段的微带差分整流天线，包括微带接收天线和微带差分整流电路，其特征在于，所述微带接收天线和微带差分整流电路制作在双面覆铜介质基片上层金属层；所述微带接收天线和微带差分整流电路通过SMA公母接头连接；
所述微带差分整流电路包括波长阻抗匹环节，中心三次谐波抑制环节，第一至第四微带线，第一和第二二极管，第一和第二基波抑制环，直流负载；所述微带接收天线通过SMA公母接头连接至微带差分整流电路的波长阻抗匹环节之后引出第一支路和第二支路，所述第一和第二支路通过中心三次谐波抑制环节连接；所述第一支路由第一和第二微带线、第一二极管和第一基波抑制环节构成，第一微带线、第一二极管、第一基波抑制环节、第二微带线顺次连接；所述第二支路由第三和第四微带线、第二二极管和第二基波抑制环节构成，第三微带线、第二二极管、第二基波抑制环节、第四微带线顺次连接；所述第二和第四微带线之间连接直流负载；所述第一和第二二极管在微带差分整流电路中是反向串联连接的。
2.根据权利要求1所述的基于WIFI频段的微带差分整流天线，其特征在于，所述微带接收天线是开缝改造的共面波导全向蝶形天线，包括中心馈线，梯形裸露介质区域，顺延开缝区域， T型功分器；所述中心馈线位于双面覆铜介质基片上层金属层的中心，中心馈线与SMA公接头连接；所述梯形裸露介质区域位于中心馈线两侧；所述顺延开缝区域将双面覆铜介质基片上层金属层分割成地平面和导体平面；所述中心馈线通过T型功分器与双面覆铜介质基片的上层金属层的导体平面相连；所述地平面与SMA公接头的接地口相连。
3.根据权利要求1所述的基于WIFI频段的微带差分整流天线，其特征在于，所述中心三次谐波抑制环节是一个弧度为120度的扇形结构。
4.根据权利要求1所述的基于WIFI频段的微带差分整流天线，其特征在于，所述第一和第二基波抑制环是一个弧度为120度的扇形结构。
5.根据权利要求1所述的基于WIFI频段的微带差分整流天线，其特征在于，该天线系统阻抗为50欧姆。
6.根据权利要求1所述的基于WIFI频段的微带差分整流天线，其特征在于，所述第一和第二二极管是肖特基势垒零偏置检波二极管。
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