CN106469860A - 面向无线能量采集的一体化高效整流天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向无线能量采集的一体化高效整流天线，包括介质板、分形环天线和整流电路，所述分形环天线、整流电路设置在介质板的顶层上，整流电路的输入端与分形环天线其中一个平行馈线连接；所述整流天线还包括有设置在介质板底层上的金属地平面，金属地平面在介质板底层上的设置位置与分形环天线在介质板顶层上的设置位置对齐，所述金属地平面与分形环天线的另一个平行馈线连接；所述整流电路设置在分形环天线内。

Description

面向无线能量采集的一体化高效整流天线

技术领域

本发明涉及无线能量采集领域，更具体地，涉及一种面向无线能量采集的一体化高效整流天线。

背景技术

在微波无线能量传输和采集的领域中，天线和射频整流电路是系统的核心模块，直接影响着系统的整体性能。

由于无线能量来源的不确定性，在进行能量采集时适合采用近似全向辐射的环形天线，用分形的方法对环天线进行适当的改进，可以进一步实现天线的小型化和多频特性。当环天线周长近似等于一个波长的时候，辐射阻抗大约为200欧姆，这使得它难以匹配到50欧姆电路。为了解决这个问题，传统方法是在距离天线水平方向h处放一个无限大地平面，理论上选择合适的h就可以使天线匹配到50欧姆。但是如果天线制造在单层介质介质板的PCB上下层，由于市面上这种介质板的厚度相当有限，无法满足理论得出的h值；另外近似无限大的地平面也额外增加了天线的整体面积，这与天线设计的紧凑型要求背道而驰。

设置整流电路的目的是把天线接收到的射频交流信号能量转换成直流能量，实际设计中通常包含了阻抗匹配、谐波抑制、二极管整流、滤波等模块。一个好的整流电路不仅要满足宽频、高效、低输出纹波的要求，还需要满足小型化、易于集成的产品化需求。从二极管拓扑结构来看，目前整流电路主要有单管串联、单管并联、villard倍压器、电荷泵和差分双管串联等结构。在无线能量采集的应用场合中，往往具有输入功率低、负载芯片电压要求高的特点。传统的单管串联、单管并联结构属于半波整流，在较低输入功率条件下无法获得高的输出电压；倍压器、电荷泵结构可以输出较高的电压，但是这种结构谐波成分较多，高效率和高电压难以折衷；差分双管串联的结构自身带有谐波抑制功能，有利于小型化，但是双管串联仅能输出2倍的电压，无法满足低输入功率输出较高电压的要求。

而在实际的设计生产中，分别设计好天线和整流电路之后，还需要将它们结合起来形成整流天线。传统的做法是将天线和整流电路进行简单地级联，这样整流天线的面积就是两者之和。这样使得两者之间所占用的面积比较大，不符合现有技术对天线、整流电路紧凑化、易于集成的要求。

发明内容

本发明为解决以上现有技术的难题，提供了一种面向无线能量采集的一体化高效整流天线，该天线引入金属地平面，优化了阻抗匹配，且使得阻抗匹配易于实现，且通过将金属地平面与分形环天线在介质板的底层和顶层设置成对齐，将整流电路嵌入到环天线内部，节省了大量的面积，使得能够达到实现整流天线一体化、进一步小型化的效果。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种面向无线能量采集的一体化高效整流天线，包括介质板、分形环天线和整流电路，所述分形环天线、整流电路设置在介质板的顶层上，整流电路的输入端与分形环天线其中一个平行馈线连接，所述整流天线还包括有设置在介质板底层上的金属地平面，金属地平面在介质板底层上的设置位置与分形环天线在介质板顶层上的设置位置对齐，所述金属地平面与分形环天线的另一个平行馈线连接；所述整流电路设置在分形环天线内。

优选地，所述分形环天线为Koch分形环天线。

优选地，所述分形环天线呈正方形状，其每条边均由2个2阶KOCH分形结构连接而成，两个馈电口开设在其中一条边的中点处，并分别与两端的KOCH分形结构连接。在正方形的每条半边做2阶koch分形变换，得到的分形环天线相比常规正方形环天线具有更小的尺寸、更宽的频带等优点；

优选地，所述金属地平面呈正方形状。

优选地，所述整流电路包括输入微带线、功分器、第一整流支路和第二整流支路，所述输入微带线的两端分别与功分器、分形环天线的一个平行馈线连接，所述功分器与第一整流支路、第二整流支路连接；

所述第一整流支路包括电容C1、电容C2、二极管D1和二极管D2；所述电容C1的一端与功分器连接，电容C1的另一端与二极管D1的阴极、二极管D2的阳极连接；二极管D1的阳极与介质板底层上的金属地平面连接，二极管D2的阴极与负载连接；二极管D2的阴极通过电容C2与介质板底层上的金属地平面连接；

所述第二整流支路包括电容C3、电容C4、二极管D3和二极管D4；所述电容C3的一端与功分器连接，电容C3的另一端与二极管D3的阴极、二极管D4的阳极连接；二极管D3的阳极与负载连接；二极管D3的阳极通过电容C4与介质板底层上的金属地平面连接；二极管D4的阴极与介质板底层上的金属地平面连接。

优选地，所述二极管D2的阴极、二极管D3的阳极分别与一角度为90度的扇形枝节连接，所述扇形枝节用于对输出端的谐波抑制。

优选地，所述功分器的两侧分别连接有一短路枝节，2条短路枝节的输入阻抗为100欧姆，从而使功分器的输入阻抗为50欧姆。

优选地，所述功分器的中部连接有一开路枝节，用于抑制输入端的谐波，减少二极管产生的谐波反射回输入端。

优选地，所述分形环天线的两个平行馈线分别与金属地平面、输入微带线连接，其中所述金属地平面上与两条平行线对应的位置呈三角形状，接金属地平面、接输入微带线连接的两条平行线与三角形状的局部金属地平面构成巴伦，巴伦用于平衡平行馈线到输入微带线的转换。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明通过对分形环天线引入金属地平面，优化了阻抗匹配，并且易于实现；

2.通过设计差分倍压的整流结构，实现了小型化高效率的效果，并且能在低输入功率下输出高电压；

3.通过将整流电路嵌入到环天线内部，实现了整流天线一体化、进一步小型化的效果。

附图说明

图1为分形环天线的结构示意图。

图2为整流电路的结构示意图。

图3为整流天线的结构示意图。

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；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

下面以收集GSM1800频段的信号能量为例，结合附图对本发明进行进一步阐述，但本发明的实施方式不限于GSM1800频段，通过修改整流天线的尺寸，可以容易地调整采集能量的信号频段。

图1为整流天线中的分形环天线1的结构示意图。该分形环天线1呈正方形状，其由3个直条和8个2阶的Koch分形结构2组成，其尺寸为42mm X 42mm。其中每个直条的宽为0.8mm，长为2.5mm。在设计的工作频率为1.83GHz时，天线总的电长度大约为1.37个波长。本实施例使用印刷电路板（PCB）工艺将分形环天线1制作在厚度为0.8mm的聚四氟乙烯介质板上，相对介电常数为2.55。分形环天线1位于介质板的顶层，馈电口3是一对向内的平行馈线。为了改善阻抗匹配效果，分形环天线1内设置有一个正方形的金属地平面4，金属地平面4位于介质板的底层，金属地平面4接地。为了在环内构造微带电路，节省面积，在天线馈电口3和底层金属地平面4中设计了平行馈线端口转微带线的巴伦。具体是所述分形环天线的两个平行馈线分别与金属地平面4、输入微带线5连接，所述金属地平面4上与两条平行馈线对应的位置呈三角形状，接金属地平面4、接输入微带线5连接的两条平行馈线与三角形状的局部金属地平面4构成巴伦，巴伦用于平衡平行馈线到输入微带线的转换。

如图2所示为整流天线中以微带电路形式的整流电路。由特性阻抗为50欧姆的输入微带线5作为信号输入端，连接着的功分器6将信号分成100欧姆的上下2个支路。每个支路是由1个电容和2个二极管构成的整流倍压器，即全波整流电路。二极管为肖特基二极管SMS7630-079LF，封装为SC79。二极管的连接方式如图2所示，应注意上下两个支路的二极管连接是相反的。输入射频能量被分成上下2条支路，上支路倍压整流器得到正的2倍电压，下支路得到负的2倍电压，最后输出电压为Vout=Vout1-Vout2，因此这个电路是差分的4倍压整流电路。

由于差分的整流电路结构，对于上下2条支路输出电压，其基频和奇数次谐波分量会相互抵消，因此输出滤波器主要关注偶次谐波即可，这大大简化了输出滤波器的设计，节省了面积。为了得到直流输出电压，上下两条支路倍压器的输出端接有角度为90度的扇形枝节7和100nF的接地电容，用作输出直通滤波器，分别滤除输出电压的高频和低频分量。在支路倍压器的前半部分是阻抗匹配模块，弯折的短路枝节8将倍压器的输入阻抗匹配到了100欧姆。在信号输入端的50欧姆转两路100欧姆微带线的功分器6中，为了降低谐波的反射损耗，在功分器6中加入了一个开路枝节9。折中插入损耗和谐波反射损耗后，选择三次谐波对应的开路枝节9，其长度为9mm，宽度为1.1mm。即倍压器二极管产生的三次谐波5.49GHz分量，由于开路枝节9的存在，无法通过功分器6反射回输入端口中，从而降低了能量损失，提高了整流效率。

如图3所示是天线和整流结合起来的一体化整流天线，外围一圈是Koch分形天线1，中间的浅色正方形是改善天线阻抗匹配的金属地平面4，中间的深色部分是整流电路，整体构成小型化的整流天线，可以采集GSM1800频段的能量。 分形环天线1的一端通过过孔与中间的金属地平面4相连，金属地平面4作为接地平面。中间整流电路内部也有6处过孔，分别是2个匹配短路枝节8过孔，2个二极管过孔和2个电容过孔，通过与背面的地平面连接实现接地。输出端的负载可以接电阻，测量能量采集效率，也可以接电容，用来储存采集的能量，对应用系统进行供电。

采用本实施方案的整流电路，负载电阻为13KΩ，输入功率仅为0dBm的条件下，其能量转换效率可以达到52%，输出电压能达到2.6V。在低输入功率的场合下，具备较高的转换效率和较高输出电压的能力，适合无线能量采集。

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 (9)

1.一种面向无线能量采集的一体化高效整流天线，包括介质板、分形环天线和整流电路，所述分形环天线、整流电路设置在介质板的顶层上，整流电路的输入端与分形环天线其中一个平行馈线连接，其特征在于：所述整流天线还包括有设置在介质板底层上的金属地平面，金属地平面在介质板底层上的设置位置与分形环天线在介质板顶层上的设置位置对齐，所述金属地平面与分形环天线的另一个平行馈线连接；所述整流电路设置在分形环天线内。

2.根据权利要求1所述的面向无线能量采集的一体化高效整流天线，其特征在于：所述分形环天线为Koch分形环天线。

3.根据权利要求2所述的面向无线能量采集的一体化高效整流天线，其特征在于：所述分形环天线呈正方形状，其每条边均由2个2阶KOCH分形结构连接而成，两个馈电口开设在其中一条边的中点处，并分别与两端的KOCH分形结构连接。

4.根据权利要求1所述的面向无线能量采集的一体化高效整流天线，其特征在于：所述金属地平面呈正方形状。

5.根据权利要求1~4任一项所述的面向无线能量采集的一体化高效整流天线，其特征在于：所述整流电路包括输入微带线、功分器、第一整流支路和第二整流支路，所述输入微带线的两端分别与功分器、分形环天线的一个平行馈线连接，所述功分器与第一整流支路、第二整流支路连接；

所述第一整流支路包括电容C1、电容C2、二极管D1和二极管D2；所述电容C1的一端与功分器连接，电容C1的另一端与二极管D1的阴极、二极管D2的阳极连接；二极管D1的阳极与介质板底层上的金属地平面连接，二极管D2的阴极与负载连接；二极管D2的阴极通过电容C2与介质板底层上的金属地平面连接；

所述第二整流支路包括电容C3、电容C4、二极管D3和二极管D4；所述电容C3的一端与功分器连接，电容C3的另一端与二极管D3的阴极、二极管D4的阳极连接；二极管D3的阳极与负载连接；二极管D3的阳极通过电容C4与介质板底层上的金属地平面连接；二极管D4的阴极与介质板底层上的金属地平面连接。

6.根据权利要求5所述的面向无线能量采集的一体化高效整流天线，其特征在于：所述二极管D2的阴极、二极管D3的阳极分别与一角度为90度的扇形枝节连接，所述扇形枝节用于对输出端的谐波抑制。

7.根据权利要求5所述的面向无线能量采集的一体化高效整流天线，其特征在于：所述功分器的两侧分别连接有一短路枝节，2条短路枝节的输入阻抗为100欧姆，从而使功分器的输入阻抗匹配为50欧姆。

8.根据权利要求5所述的面向无线能量采集的一体化高效整流天线，其特征在于：所述功分器的中部连接有一开路枝节，用于抑制输入端的谐波，减少二极管产生的谐波反射回输入端。

9.根据权利要求5所述的面向无线能量采集的一体化高效整流天线，其特征在于：所述分形环天线的两个平行馈线分别与金属地平面、输入微带线连接，其中所述金属地平面上与两条平行线对应的位置呈三角形状，接金属地平面、接输入微带线连接的两条平行线与三角形状的局部金属地平面构成巴伦，巴伦用于平衡平行馈线到输入微带线的转换。