CN106100151B - 一种用于电磁超表面环境射频能量收集的整流器 - Google Patents

Abstract

一种应用于电磁超表面环境射频能量收集的整流器，包括上层的金属微带电路、中间层的介质基板、下层的接地金属层；金属微带电路包括微带功分网络、微带整流电路，微带功分网络通过微带传输线和微带整流电路相连；微带功分网络包括微带阻抗变换网络、功分器、金属过孔，微带阻抗变换网络通过所述的金属过孔与超表面输出端口相连；微带整流电路包括阻抗匹配网络、整流二极管网络、直流负载；阻抗匹配网络的输出端与整流二极管网络的输入端相连接；整流二极管网络的输出端与直流负载相连。本发明结构简单、体积小、造价低、易集成，适用于工作在ISM频段的电磁超表面，整流效率高。

Description

一种用于电磁超表面环境射频能量收集的整流器

技术领域

本发明属于电子技术领域，更进一步涉及能量收集技术领域中的一种用于电磁超表面环境射频能量收集的整流器。本发明可用于将电磁超表面接收的环境射频能量转换为直流能量。

背景技术

能量收集技术可用于对环境中各种形式的能量进行收集和利用，例如太阳能，风能，射频能量等。随着无线通信技术的迅速发展，环境中的射频功率密度越来越大，利用环境射频能量给低功率电子设备供电的想法已经获得了大量的普及。因此对于射频形式的能量收集技术成为了现阶段研究的热点问题。整流电路是环境射频能量收集系统中的关键部分，它能将收集到的射频能量转换为直流能量，给射频识别系统，无线传感器网络系统，生物医学设备等电子设备供能，从而取代传统的电池供电，有效的延长了节点的使用寿命。环境中的射频能量密度一般较低，因此需要整流电路能够工作在低功率的情况下。

电磁超材料是指一些具有天然材料不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。电磁超表面是一种二维结构的电磁超材料，它具有结构简单，体积小，单位面积能量收集效率高，多角度，多极化的优点。电磁超表面是工作在周期阵列模型下的，每个阵列单元都可以接收功率，因此需要多路整流。

整流电路一般包括输入滤波器，阻抗匹配网络，整流二极管，输出直通滤波器和直流负载。整流二极管是影响整流电路效率的关键部分，常用的整流二极管为肖特基二极管，它是利用金属与半导体接触形成的金属——半导体结原理制作的。其低功耗、大电流、极短的反向恢复时间(小至几纳秒)、低正向导通压降，使其成为中、小功率的整流二极管。将整流电路与前端接收天线或者超表面连接，便可实现环境射频能量的收集利用。本发明提出了一种应用于超表面单元阵列结构的整流电路。目前，现有的技术方法如下：

上海大学在其申请的专利“一种环境电磁波能量收集整流器”(申请号201510273126.0，申请日2015.05.26，公布号CN 105048608 A,公布日2015.11.11)中提出了一种环境电磁波能量收集整流器。该整流器包括上层的金属微带整流电路结构，中间层的介质基板和下层的接地金属层。金属微带整流电路结构由一个双T型短路枝节阻抗匹配网络依次经过一个整流二极管和一个微带扇形直通滤波器连接一个直流负载构成。在-10dBm的地输入功率条件下，可以工作在三个频段，且都可以获得较高的整流效率。但是，该方法仍然存在的不足之处是，1)它要求电路输入阻抗是50欧姆，与输出阻抗上千欧姆得电磁超表面不匹配，2)它只适用于前端为传统天线的单路整流，不适用于电磁超表面周期阵列结构单元的多路整流。

四川大学在其申请的专利“一种微波接收整流天线阵列”(申请号201110168512.5，申请日2011.06.22，公布号CN 102354805 A,公布日2012.02.15)中提出了一种微波接收整流天线阵列。该发明采用微带线串联馈电，使得天线与整流电路位于同一平面，其微带线馈电方式使得整流天线易于组阵。但是，该方法仍然存在的不足之处是，1)它只适用于微带接收天线整流，而电磁超表面不同于微带天线，不能直接与微带整流电路相连在同一平面内2)它针对每个天线单元都有一个整流电路，整体结构复杂，设计成本较高。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种用于电磁超表面环境射频能量收集的整流器。先采用功分网络将电磁超表面单元的能量进行整合，然后再采用整流电路对其进行整流，最后将输出的直流整合供给直流负载。

为实现本发明的目的，本发明的整流器，包括金属微带电路、介质基板、接地金属层，金属微带电路和接地金属层印刷在介质基板两侧，构成两层金属层和一层介质层结构；金属微带电路包括微带功分网络、微带整流电路，微带功分网络通过微带传输线和微带整流电路相连；微带功分网络包括微带阻抗变换网络、功分器、第一金属过孔，微带阻抗变换网络通过第一金属过孔与超表面输出端口相连；微带整流电路包括阻抗匹配网络、整流二极管网络、直流负载；阻抗匹配网络的输出端与整流二极管网络的输入端相连接；整流二极管网络的输出端与直流负载的输入端相连接。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

第一，由于本发明的结构中引入微带功分网络，微带功分网络可以将多端口的射频能量合成到单端口处，而电磁超表面是由周期阵列单元组成的，由此可以对超表面结构中的每个阵列单元收集到的射频能量先进行整合，减少了后端整流电路的规模，克服了现有技术中由于每个天线单元都后接一个整流电路而导致整体阵列结构复杂的问题，使得本发明具有整流阵列结构简单、电路尺寸较小、设计成本较低的优点。

第二，由于本发明的结构中引入了双节四分之一波长阻抗变换器，而电磁超表面的输出阻抗通常为数千欧姆，双节四分之一波长阻抗变换器将超表面数千欧姆的输出阻抗匹配到了微带传输线常用的50欧姆，由此解决了电磁超表面和微带电路的匹配问题，克服了在现有技术中微带整流电路不能应用于超表面的不足，使得本发明具有应用范围广的优点。

第三，由于本发明的结构中省去了整流电路中的输入滤波器，利用了超表面带宽较窄的特点，设计了一种谐波抑制的整流电路，在整流电路输入端略去了输入滤波器的设计，由此减少了电路在滤波器部分的损耗，提高了整流电路的整体工作效率，克服了在现有技术中整流电路都包含输入滤波器的不足，使得本发明具有整流电路结构简单，整流效率高的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的后视图；

图3为本发明的整流效率随入射功率大小的变化曲线图。

具体实现方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。

参照附图1至附图2，本发明用于电磁超表面环境射频能量收集的整流器的工作频率为2.4GHz且超表面输出阻抗为1500欧姆时所采用的设计如下：

本发明包括金属微带电路1、介质基板2、接地金属层3，金属微带电路1和接地金属层3印刷在介质基板2两侧，构成两层金属层和一层介质层结构，两层金属层和一层介质层结构设置为，从上到下依次为第一层是金属微带电路1、第二层是介质基板2、第三层是接地金属层3，介质基板2的相对介电常数为2.65、厚度为1mm，金属微带电路1包括微带功分网络4、微带整流电路5，微带功分网络4通过微带传输线6和微带整流电路5相连。

微带功分网络1包括微带阻抗变换网络7、功分器8、第一金属过孔9，微带阻抗变换网络7的一端通过所述的四个第一金属过孔9与四个超表面输出端口相连，微带阻抗变换网络7的另一端与功分器8输入端相连；微带整流电路5包括阻抗匹配网络10、整流二极管网络11、直流负载12；阻抗匹配网络10的输出端与整流二极管网络11的输入端相连接；整流二极管网络11的输出端与直流负载12的输入端相连接。

微带阻抗变换网络7采用双节四分之一波长阻抗变换器结构，其几何参数可用来调节功分器8的输入阻抗，实现功分器8的50欧姆输入阻抗与超表面输出端口的1500欧姆输出阻抗之间的匹配。

阻抗匹配网络10包括单节T型短路枝节阻抗匹配变换器13、电感14、第二金属过孔15；单节T型短路枝节阻抗匹配变换器13与电感14串联，通过调节单节T型短路枝节阻抗匹配变换器13的几何参数以及电感14的大小，实现2.4GHz频点处的阻抗匹配；单节T型短路枝节阻抗匹配变换器13通过位于T型脚下端的第二金属过孔15与接地金属层3相连；阻抗匹配网络10的输入端与微带传输线6相连。

整流二极管网络11采用双二极管倍压整流结构，包括第一个电容16、第一个二极管17、第二个电容18、第二个二极管19，第一个二极管17和第二个二极管19的型号为SMS7630，以实现低功率下的整流，第一个电容16与电感14相连，第一个二极管17的正极通过第三金属过孔20与接地金属层3相连，第一个二极管17的负极与第一个电容16相连，第二个二极管19的负极与第二个电容18相连，第二个二极管19的正极与第一个电容16相连，第二个电容18通过第三金属过孔20与接地金属层3相连。

下面结合附图3对本发明效果做进一步描述：

本发明的仿真效果是在ADS软件下，建立用于电磁超表面环境射频能量收集的整流器的实物模型，并将四个电磁超表面输出端口等效为四个输出阻抗为1500欧姆的射频功率源，最后对本发明的整流效率随输入功率大小的变化进行仿真。

参照附图3，图3中的横轴代表输入功率，纵轴代表整流效率，图3中的曲线代表整流效率随入射功率大小的变化情况，从图3可以看出，输入功率在0dBm时对应的整流效率为67.7％，输入功率在-7dBm时对应的整流效率为50.1％，说明本发明在低输入功率下有较好的整流效果。

Claims (5)

1.一种用于电磁超表面环境射频能量收集的整流器，包括金属微带电路(1)、介质基板(2)、接地金属层(3)，其特征在于，所述的金属微带电路(1)和接地金属层(3)印刷在介质基板(2)两侧，构成两层金属层和一层介质层结构；所述的金属微带电路(1)包括微带功分网络(4)、微带整流电路(5)，所述的微带功分网络(4)通过微带传输线(6)和微带整流电路(5)相连；所述的微带功分网络(4)包括微带阻抗变换网络(7)、功分器(8)、第一金属过孔(9)，微带阻抗变换网络(7)的一端通过所述的第一金属过孔(9)与超表面输出端口相连，微带阻抗变换网络(7)的另一端与功分器(8)输入端相连；所述的微带整流电路(5)包括阻抗匹配网络(10)、整流二极管网络(11)、直流负载(12)；所述的阻抗匹配网络(10)的输出端与整流二极管网络(11)的输入端相连接；所述的整流二极管网络(11)的输出端与直流负载(12)的输入端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于电磁超表面环境射频能量收集的整流器，其特征在于，所述的两层金属层和一层介质层结构设置为，从上到下依次为第一层是金属微带电路(1)、第二层是介质基板(2)、第三层是接地金属层(3)。

3.根据权利要求1所述的一种用于电磁超表面环境射频能量收集的整流器，其特征在于，所述的微带阻抗变换网络(7)采用双节四分之一波长阻抗变换器结构，用于实现功分器(8)输入端口和超表面输出端口的阻抗匹配。

4.根据权利要求1所述的一种用于电磁超表面环境射频能量收集的整流器，其特征在于，所述的阻抗匹配网络(10)包括单节T型短路枝节阻抗匹配变换器(13)、电感(14)、第二金属过孔(15)；所述的单节T型短路枝节阻抗匹配变换器(13)与电感(14)串联；所述的单节T型短路枝节阻抗匹配变换器(13)通过位于T型脚下端的第二金属过孔(15)与接地金属层(3)相连；所述的阻抗匹配网络(10)的输入端与微带传输线(6)相连。

5.根据权利要求1所述的一种用于电磁超表面环境射频能量收集的整流器，其特征在于，所述的整流二极管网络(11)采用双二极管倍压整流结构，包括第一个电容(16)、第一个二极管(17)、第二个电容(18)、第二个二极管(19)，所述的第一个电容(16)与电感(14)相连，所述的第一个二极管(17)的正极通过第三金属过孔(20)与接地金属层(3)相连，第一个二极管(17)的负极与第一个电容(16)相连，第二个二极管(19)的负极与第二个电容(18)相连，第二个二极管(19)的正极与第一个电容(16)相连，第二个电容(18)通过第三金属过孔(20)与接地金属层(3)相连。