CN105337021A - 一种小型化高效微波输能整流阵 - Google Patents

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梁西铭
张海光
张骅
张琦
郭卫展
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Abstract

本发明提供了一种小型化高效微波输能整流阵，包括若干个小型化接收天线、射频电缆和整流电路，所述的小型化接收天线和整流电路分别用印刷电路印制在不同的介质基片上，小型化接收天线和整流电路之间通过射频线缆连接。本发明方便灵活拆卸组阵，满足整流天线与用电设备进行集成及小型化、便携式的需求，采用垂直于天线阵底面的印刷偶极子天线，大大减小天线阵横向体积，密集排布从而更加充分的接收微波能量。

Description

一种小型化高效微波输能整流阵
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化装置以及其组阵的方式，用于将微波能量转化为电能。
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500万吨优质燃煤所发出的能量。而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。
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，主要装置是接收整流天线及整流电路，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。
接收整流天线是MPT系统的关键技术，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，节省金属材料以及减小体积，印刷电路接收整流天线成为研究的重点。现有整流天线及电路安装方式固定，大多数集成在同一电路板上。微波波束多为高斯分布，其能量分布不均匀，所以传统整流天线及电路设计为一体不易于灵活组阵接收微波能量。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种小型化高效微波输能整流阵，接收天线和整流电路采用SMA线缆连接，方便灵活拆卸组阵，满足整流天线与用电设备进行集成及小型化、便携式的需求，采用垂直于天线阵底面的印刷偶极子天线，大大减小天线阵横向体积，密集排布从而更加充分的接收微波能量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括若干个小型化接收天线、射频电缆和整流电路，所述的小型化接收天线和整流电路分别用印刷电路印制在不同的介质基片上，小型化接收天线和整流电路之间通过射频线缆连接。
所述的小型化接收天线为对称偶极子形式，采用宽带巴伦耦合馈电。
所述小型化接收天线的工作频率为2.45GHz，介质基片的介电常数为4.4，厚度为1.5mm。
所述的小型化接收天线均安装在天线阵面上，各个小型化接收天线的介质基片相互平行且均与天线阵面垂直。
所述小型化接收天线为密集排布，相邻小型化接收天线的间距小于工作波长的四分之一。
所述射频电缆采用低损耗同轴线缆，两端接头均为SMA连接器。
所述整流电路包括阻抗匹配枝节，整流二极管及低通滤波器，均印刷在介质基片一侧；阻抗匹配枝节实现小型化接收天线与整流二极管之间的匹配，将射频电缆输入的微波能量传输至整流二极管；整流二极管将微波能量转化为直流电压，经低通滤波器反射高次谐波，输出无高次谐波干扰的直流电压。
本发明的有益效果是：
第一、体积小、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，更易于组阵。
第三、接收天线采用宽带巴伦耦合馈电，由于宽带巴伦平衡馈电，可获得规整的方向图，而耦合馈电能获得较宽的带宽，提高了能量传输的效率。
第四、整流电路所有组成部分均在介质板一侧，且结构简单仅包含一个阻抗匹配枝节、一个整流二极管及一个低通滤波器，易于制版加工。
第五、接收整流天线阵使用密集布阵形式，相对于传统的天线间距四分之波长的接收阵更充分的接收来自发射天线的微波能量，提高整流效率。
附图说明
图1是整流组件整体结构示意图。
图2是整流天线结构示意图，其中，(a)是主视图，(b)是后视图。
图3是射频电缆结构示意图。
图4是整流电路结构示意图。
图5是整流天线阵示意图。
图6是整流天线驻波曲线图。
图7是整流电路输入功率S11仿真图。
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。
本发明提供了一种分离式整流组件，接收天线与整流电路分离设计，使用低损耗射频电缆线连接，使用灵活易于组阵，并且提供了一种紧凑型天线布阵方式来更好地接收微波能量。
本发明分离式设计使得接收整流阵可以灵活组阵，在波束增益、能量密度高的范围内可以使用单个接收天线连接单个整流单元，而在波束增益、能量密度低的范围内可以使用多个接收天线连接一个整流单元的形式来提高整流电流，使得整个接收阵面提取出的直流电流分布均匀，便于后端合成大电流直流电以供使用。
本发明针对传统微波整流阵的间距四分之波长布阵方式，提出了一种密集式布阵形式，此种布阵形式可最大程度接收发射天线发射到接收天线阵口面的微波能量，提高接收效率。
如图1所示，本发明包括若干个小型化接收天线、射频电缆和整流电路。
所述的小型化接收天线和整流电路分别用印刷电路印制在不同的介质基片上，二者使用射频线缆连接起来。
所述的小型化接收天线设计成对称偶极子的形式，采用宽带巴伦耦合馈电，天线的工作频率为2.45GHz，介质基片的介电常数为4.4，厚度为1.5mm。小型化接收天线均安装在天线阵面上，且各个小型化接收天线的介质板相互平行且均与天线阵面垂直，与平面印刷微带天线相比可以密集排布，与天线阵表面功率密度相适应，充分利用天线阵表面接收到的能量。
所述射频电缆采用低损耗同轴线缆，两个接头均为SMA连接器。
所述整流电路由阻抗匹配枝节，整流二极管及低通滤波器组成。阻抗匹配枝节实现接收天线与整流二极管之间的匹配，使得微波能量高效传输至整流二极管；微波能量经整流二极管后会产生直流电压；直流电经低通滤波器后反射高次谐波，使整个整流电路输出无高次谐波干扰的直流电压。
所述天线阵为密集排布，其阵元间距小于四分之一工作波长，与传统天线阵不同。
如图2所示，小型化接收天线1由宽带耦合馈电巴伦11，偶极子振子臂12，地板13及SMA头14组成。小型化接收天线1制作在双面覆铜、介电常数4.4、厚度1.5mm的板材上。整流天线正面如图2(a)所示，偶极子振子臂12作为辐射体与宽带耦合馈电巴伦11正面相连接，宽带耦合馈电巴伦11反面通过短路钉与偶极子任意一臂相连，增加带宽。宽带耦合馈电巴伦11正面与地板13连接。SMA头14芯线与宽带耦合馈电巴伦11反面焊接，SMA头14外导体与地板13焊接。
如图3所示，射频电缆2由SMA头21、23和同轴线缆22组成，同轴线缆22宜选用低损耗线缆，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由阻抗匹配枝节31，整流二极管32及低通滤波器33组成，采用印刷电路制作在同一介质板上。介质板介电常数3.0，厚度为0.8mm。采用印刷技术在介质板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。阻抗匹配枝节31用于整流二极管32和接收天线1之间的阻抗匹配。整流二极管32连接在阻抗匹配枝节31和低通滤波器33之间，将微波转化为直流电压。低通滤波器33连接在整流二极管32和输出电压端之间，实现基波无损耗通过，并反射由非线性元件整流二极管32产生的高次谐波。最终由低通滤波器33末端导线输出直流电压。
如图5所示，整流天线阵的天线单元41与天线阵地板42垂直，阵元间距小于四分之波长，呈密集排布，与传统天线阵相比可以更充分的接收传输到天线阵表面的微波能量。

Claims (7)

1.一种小型化高效微波输能整流阵，包括若干个小型化接收天线、射频电缆和整流电路，其特征在于：所述的小型化接收天线和整流电路分别用印刷电路印制在不同的介质基片上，小型化接收天线和整流电路之间通过射频线缆连接。
2.根据权利要求1所述的小型化高效微波输能整流阵，其特征在于：所述的小型化接收天线为对称偶极子形式，采用宽带巴伦耦合馈电。
3.根据权利要求1所述的小型化高效微波输能整流阵，其特征在于：所述小型化接收天线的工作频率为2.45GHz，介质基片的介电常数为4.4，厚度为1.5mm。
4.根据权利要求1所述的小型化高效微波输能整流阵，其特征在于：所述的小型化接收天线均安装在天线阵面上，各个小型化接收天线的介质基片相互平行且均与天线阵面垂直。
5.根据权利要求1所述的小型化高效微波输能整流阵，其特征在于：所述小型化接收天线为密集排布，相邻小型化接收天线的间距小于工作波长的四分之一。
6.根据权利要求1所述的小型化高效微波输能整流阵，其特征在于：所述射频电缆采用低损耗同轴线缆，两端接头均为SMA连接器。
7.根据权利要求1所述的小型化高效微波输能整流阵，其特征在于：所述整流电路包括阻抗匹配枝节，整流二极管及低通滤波器，均印刷在介质基片一侧；阻抗匹配枝节实现小型化接收天线与整流二极管之间的匹配，将射频电缆输入的微波能量传输至整流二极管；整流二极管将微波能量转化为直流电压，经低通滤波器反射高次谐波，输出无高次谐波干扰的直流电压。
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