CN105514623B - 一种频率可重构的双通道通信整流天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波输能领域，涉及通信整流天线，具体为一种频率可重构的双通道通信整流天线。该天线包括双端口频率可重构偶极子天线和整流电路；天线由基板、正面结构和背面结构构成；背面结构包括第三金属臂、宽带巴伦结构及地板；正面结构包括第一、第二金属臂及馈电网络，馈电网络由馈电枝节、可重构枝节及偏置电路构成，其中馈电枝节连接端口1、可重构枝节连接端口2，馈电枝节上设置第一隔直电容，可重构枝节上设置可调器件；整流电路连接于双端口频率可重构偶极子天线任一端口。本发明采用可重构技术设计通信整流天线，在结构中设置可调器件，通过调节可调器件的状态，实现通信整流天线在同一频段下或不同频段下的双通道通信和输能功能。

Description

一种频率可重构的双通道通信整流天线

技术领域

本发明属于微波输能领域，涉及通信整流天线，具体为一种频率可重构的双通道通信整流天线。

背景技术

微波输能技术，即电能不通过输电线传输，而是利用微波进行无线传输的技术。现代人的日常生活和工作，越来越离不开无线通信，人们希望能够随时随地进行通信，但无线设备的正常使用离不开持续的电能供应。大量便携式的无线电子设备，给人们的生活和工作带来了极大的方便，但是持续的电力供应在某些情形下也无法得到满足。比如，植入式医疗设备能够给患者带来极大的方便，这些医疗设备需要与外界进行信息交换，需要有通信功能，同时它们所携带的电池也需要补充能量。如果能够将设备的通信功能和能量供应功能用一种器件来实现，将能够大大减小器件的尺寸和重量，给人们的生活和工作带来极大的方便。

天线是进行无线通信和进行微波无线能量传输必不可少的器件；将天线和整流电路结合在一起，就构成整流天线，它能够接收电磁波并将其转换成直流电，因此是微波输能系统的重要器件。若系统中分别设计独立的整流天线和通信天线，则会增加整个系统的体积和复杂性，增加系统成本；并且，无线设备尺寸有限，整流天线和通信天线的距离很近，将会产生强烈的互耦，从而影响系统性能。因此，有必要将通信天线和整流天线作为一个整体来进行研究；若将二者融为一体，研究同时具有通信和整流功能的天线，将成为整流天线新的发展方向。

目前通信整流天线的研究还处于起步阶段，仅有少量公开报道的研究成果。目前公开报道的通信整流天线可分为两种，一种是单端口天线，另一种是双端口天线。单端口天线通常只能作为一种天线使用，即或者作为通信天线，或者作为整流天线。双端口天线有两个端口，一个端口作为通信天线端口，另一个端口作为整流天线端口。

单端口通信整流天线，如文献：“A New Circularly Polarized Rectenna forWireless Power Transmission and Data Communication.”(M.Ali,G.Yang,andR.Dougal,IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,vol.4,pp.205-208,2005.)中公开一种用于通信系统中的圆极化整流天线，如图1所示；此整流天线的接收天线为单端口圆极化接收天线，如图1(b)；接收天线通过两个交叉的矩形槽实现宽带圆极化性能，此宽带圆极化接收天线后面可接有一普通的整流电路，完成了射频能量到直流能量的转换，此整流天线可作为通信系统中的WLAN天线，工作频段为5.15GHz-5.35GHz，也可作为5.5GHz的整流天线，当入射功率密度为2.55mW/cm²，整流天线最大的整流效率为57.3％；但此通信整流天线只有一个输出端口，即一个通道，使其只能在一种模式工作，即，或者工作于通信模式，或者工作于整流模式，且两种模式的工作频率也不相同。

双端口通信整流天线，如文献：“A Novel Compact Printed Rectenna for DataCommunication Systems.”(X.Yang,C.Jiang,and et.al.,IEEE Transactions onAntennas and Propagation,,vol.61,no.5,pp.2532-2539,2013.)中公开一种双端口通信整流天线，如图2所示，包含一个高隔离的双端口接收天线和一个普通整流电路，接收天线为双端口天线，一个端口接整流电路，另一个端口用于通信；该接收天线为缝隙耦合馈电，两个相互垂直的H型缝隙提高了两个端口的隔离度，使两个端口相互不受到影响，整流和通信可以很好地工作；但该通信整流天线的整流模式和通信模式仍然工作在不同的频段，且天线工作频带窄、天线结构复杂。

另一种双端口通信整流天线，通信模式和整流模式的工作频率相同。如文献：“Dual-Fed Antenna for Wireless Power Transmission and Data Communication,”(R.Dehbashi,K.Forooraghi,and Z.Atlasbaf,IEEE Antennas and Propagation SocietyInternational Symposium,pp.2201-2204,2006.)中公开一种双端口多功能天线，如图3所示，该天线一个端口用于通信，另一个端口用于微波输能，且两个端口接收信号时，天线都工作在2.4GHz；但该天线工作频带较窄，同时,两个端口工作时，两通道之间的隔离度很低，仅有1.5dB，使得两端口仍然无法同时良好地工作。

本发明针对现有通信整流天线的不足，提出一种频率可重构的双通道通信整流天线。通过开关进行天线工作状态的重构，使该通信整流天线的两种模式，即通信模式和整流模式，可以同时工作在同一个频段，也可同时工作在不同频段。并且，该天线在不同的工作状态中两种模式之间都具有很高的隔离度。

发明内容

本发明针对现有通信整流天线的不足，将可重构技术应用到通信整流天线中，提出一种频率可重构的双通道通信整流天线。通过开关的切换，实现天线的频率重构，使得该通信整流天线能够适应多种环境，从而大大提高系统性能。

为达到上述目标，本发明采用的技术方案为：

一种频率可重构的双通道通信整流天线，包括一个双端口频率可重构偶极子天线和一个整流电路；双端口频率可重构偶极子天线由基板、分别位于基板正反面的正面结构和背面结构构成；所述背面结构包括第三金属臂、宽带巴伦结构及地板，其中第三金属臂通过宽带巴伦结构与地板连接，对应于宽带巴伦结构，在地板上设置有缺陷地结构(DGS)；所述正面结构包括第一、第二金属臂及馈电网络，第一、第二金属臂连接馈电网络，馈电网络由馈电枝节、可重构枝节及偏置电路构成，其中馈电枝节连接端口1、可重构枝节连接端口2，所述馈电枝节上设置第一隔直电容，所述可重构枝节上设置可调器件，偏置电路正极端连接于可调器件与端口2之间，偏置电路负极端连接第二金属臂并与地板相连；可重构枝节上偏置电路正极端与端口2之间还设置有第二隔直电容；所述第一、第二金属臂与第三金属臂对应设置，共同构成可重构偶极子天线；所述的整流电路连接于双端口频率可重构偶极子天线任一端口。

进一步的，所述可调器件优选采用PIN二极管开关、FET三极管开关、MEMS开关或光控开关，但并不限于上述开关。

所述整流电路由依次连接的前置电感、整流二极管、匹配电路和旁路电容构成。

所述偏置电路由高阻线和偏置电容构成，所述连接正、负极端的高阻线长度为n为大于或等于0的整数，λ为工作波长。

需要说明的是：本发明设计的双端口频率可重构偶极子天线和整流电路通过转接头进行连接，偶极子天线的介质基板与整流电路的介质基板可以选择相同或不同的材料。本发明中，馈电枝节上设置的第一隔直电容不仅阻断了直流偏压对馈电枝节及其后续电路的影响，而且在一定的程度上提升了偶极子馈电枝节的性能。可重构枝节上设置了可调器件和第二隔直电容；通过调节可调器件的状态，调节偶极子天线的工作状态，使整流天线能够在不同模式同时进行整流和通信工作；而第二隔直电容位于偏置电路与端口2之间，不仅避免了直流偏压影响通信系统或整流电路的直流输出，还能确保直流能够通过可调器件，使可调器件正常工作。整流天线中为减小直流偏置对射频信号的影响，设置了高阻线，它对射频信号呈现出极高的阻抗，且长度为n是大于或等于0的整数，λ为工作波长，直流端接地，射频端等效为开路，因此降低了直流偏置信号对射频信号的影响。偏置电容5和第一、第二隔直电容与高阻线相互配合，大大降低了射频电路与直流偏置电路的相互影响，使得直流正极能量通过连接正极的高阻线13，可重构枝节，第二金属臂，连接负极的高阻线14及过孔接地，形成直流回路。类三角形的宽带巴伦结构有效展宽了可重构偶极子天线的工作带宽；地板上的L型槽4为缺陷地结构(DGS)，它大大提高了两个端口的隔离度。

本发明采用可重构技术设计的双通道通信整流天线，天线具有两个端口，从而使天线同时具有通信通道和整流通道，天线的通信模式和整流天线的整流模式可以同时工作，互不影响。通过在双端口天线的可重构枝节上设置可调器件，使该天线具有两种工作状态：一种状态，天线的两个通道都工作在一个相同的频段；而另一种状态，两个通道分别工作在不同的频段。此外，天线的两个端口均可以连接通信电路或整流电路，即天线的两个通道均可以作为通信通道或整流通道，且两个通道可以同时工作而互不干扰。将设计的后端整流电路与其中一个天线端口连接，而另一个端口连接通信电路，此双通道通信整流天线就实现了在不同频段或相同频段同时通信和输能的功能。在这两种工作状态下，通信通道和整流通道之间都具有高的隔离度。本发明提出的双通道频率可重构通信整流天线具有诸如工作模式多、工作频带宽、隔离度高、结构简单、使用灵活方便、调谐容易等优点，因此能够广泛应用于通信、医疗、电子等领域中。

附图说明

图1为圆极化通信整流天线结构示意图，其中，(a)为圆极化整流天线，(b)为圆极化接收天线。

图2为双端口通信整流天线结构示意图，其中，(a)为双端口高隔离接收天线结构示意图，(b)为整流电路图。

图3为的双端口多功能天线结构示意图。

图4为本发明频率可重构的双通道通信整流天线结构示意图，其中，(a)为双端口频率可重构偶极子天线结构示意图，1表示可调器件、2表示第一隔直电容、3表示第二隔直电容、4表示DGS、5表示偏置电容、6表示馈电枝节、7表示可重构枝节、8表示宽带巴伦、9表示馈电网络、10表示第一金属臂、11表示第二金属臂、12表示第三金属臂、13表示连接正极的高阻线、14表示连接负极的高阻线；(b)为整流电路，15表示前置电感、16表示整流二极管、17表示匹配电路、18表示旁路电容、19表示负载、20表示电路介质基板。

图5为实施例双端口频率可重构偶极子天线的S参数曲线图，其中，(a)为状态1，(b)为状态2。

图6为实施例整流电路的转换效率图。

图7为实施例第一隔直电容(C2)、第二隔直电容(C3)分别对端口1、2性能影响图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例中，频率可重构的双通道通信整流天线结构如图4所示，图中，深灰色部分表示天线正面结构，浅灰色部分表示天线背面结构，该通信整流天线具体尺寸如下：L1＝17～23mm,W1＝1～3mm,L2＝10～14mm,W2＝1～3mm,L3＝7～10mm,W3＝1～3mm,L4＝9～12mm,L5＝6～9mm,L6＝12～16mm,L7＝11～16mm,L8＝7～11mm,L9＝10～14mm；其中连接正极的高阻线13的长度为λ/4，而连接负极的高阻线14的长度为3λ/4，λ为54.5mm。

本实施例中，馈电枝节6连接的端口1用于传输数据，可重构枝节7连接的端口2通过50Ohm转接头连接整流电路进行能量传输。采用的可调器件1是一个PIN二极管开关，它具有导通和断开两种状态，可用来调节可重构枝节7的状态，使连接到整流电路的端口2接收信号时，天线可以分别工作在两种不同的频段，而将这两种工作频段对应的状态称为状态1和状态2。

天线状态1：开关1导通，端口1接收信号时，天线可以工作在4.5～5.6GHz频段，传输通信信号；而端口2接收信号时，天线可以工作在5.16～5.3GHz频段，传输电磁能量。此天线在状态1的S参数如图5(a)所示，可以看到，端口1和2接收信号时天线的公共频段是5.16～5.3GHz，在此频段，此通信整流天线能够同时进行通信和输能，且两通道的隔离度达到24.32～34.86dB。

天线状态2：开关1断开，端口1接收信号时，天线可以工作在4.82～5.65GHz频段，传输通信信号；而端口2接收信号时，天线可以工作在5.65～5.72GHz频段，传输电磁能量。此天线在状态2的S参数如图5(b)所示，可见，两通道间的隔离度在两个工作频段分别为16.80～44.78dB和15.84～16.80dB，也即此通信整流天线的通信模式和整流模式同时工作在不同的频段。

频率可重构的双通道通信整流天线在两个状态下的详细参数对比如表1所示：

表1双通道通信整流天线在两个状态下的详细参数

对于本实施例中的频率可重构双通道通信整流天线，采用HFSS和ADS进行了联合仿真。根据需要，通过开关切换接收天线的工作状态，并将接收到的电磁波分别传送到通信端口(端口1)和整流端口(端口2)。进入端口2的电磁波将经由微带线馈入到后端的低功率整流电路中，经过前置电感、整流二极管后转换成直流，再经过旁路电容进行滤波整形，最后输出到负载端。由于接收天线在两种状态下的工作频率都在5～6GHz频段，因此，设计的低功率整流电路也工作在5～6GHz频段，其输入功率在-5～5dBm范围内时，最高的转换效率如图6所示。可以看到，在频率为5.5GHz、输入功率为5dBm时，整流电路能达到最高的转换效率49.1％，此时所接的负载为510Ohm。

采用频率可重构天线作为通信整流天线，可以避免采用多个天线造成的结构复杂化，且有助于实现小型化。同时，在频率可重构的双通道通信整流天线中，通过控制可调器件的状态，能改变其中一个端口工作时天线的工作频率，使天线具有多个工作状态，从而有更广的应用范围。由于可调器件(二极管开关)安装在可重构枝节7上，所以端口1工作时，天线在两个状态下都能保持较好的宽带特性，可调器件的状态主要改变端口2接收信号时天线的工作频率。在馈电枝节6上的第一隔直电容2影响端口1接收射频信号的性能，其不同的电容值对端口1射频性能的影响如图7所示，可以看到，随着第一隔直电容的电容值C2的增加，谐振频率向低频移动且工作带宽变窄。在可重构枝节7上的第二隔直电容3影响端口2接收射频信号的性能，其不同的电容值对端口2射频性能的影响如图7所示，可以看到，随着第二隔直电容的电容值C3的增加，谐振工作频率向高频移动。因此，实际设计时需要选取合适的电容值C2和C3，使天线达到良好的工作状态。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式。本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种频率可重构的双通道通信整流天线，包括双端口频率可重构偶极子天线和整流电路；双端口频率可重构偶极子天线由基板、分别位于基板正反面的正面结构和背面结构构成；所述背面结构包括第三金属臂、宽带巴伦结构及地板，其中第三金属臂通过宽带巴伦结构与地板连接，地板上还设置有缺陷地结构、对应于宽带巴伦结构；所述正面结构包括第一、第二金属臂及馈电网络，第一、第二金属臂连接馈电网络，馈电网络由馈电枝节、可重构枝节及偏置电路构成，其中馈电枝节连接端口1、可重构枝节连接端口2，所述馈电枝节上设置第一隔直电容，所述可重构枝节上设置可调器件，偏置电路正极端连接于可调器件与端口2之间，偏置电路负极端连接第二金属臂并与地板相连；可重构枝节上偏置电路正极端与端口2之间还设置有第二隔直电容；所述第一、第二金属臂与第三金属臂对应设置，共同构成可重构偶极子天线；所述整流电路连接于双端口频率可重构偶极子天线任一端口。

2.按权利要求1所述频率可重构的双通道通信整流天线，其特征在于，所述可调器件采用PIN二极管开关、FET三极管开关、MEMS开关或光控开关。

3.按权利要求1所述频率可重构的双通道通信整流天线，其特征在于，所述整流电路由依次连接的前置电感、整流二极管、匹配电路和旁路电容构成。

4.按权利要求1所述频率可重构的双通道通信整流天线，其特征在于，所述偏置电路由高阻线和偏置电容构成，所述连接正、负极端的高阻线长度为n为大于或等于0的整数，λ为工作波长。