CN107404156B - 一种基于阵列天线的无线能量接收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于阵列天线的无线能量接收系统，本发明利用阻抗匹配单元、射频功率合成单元和射频整流单元对阵列天线接收的射频信号进行信号处理和能量转换，克服了现有技术中单根天线接收无线信号方式对无线信号能量的利用效率低的技术问题，实现了一种适用于多天线阵列的、切实可行的、可大幅度提高无线射频信号能量利用效率的能量转换装置，而且结构简单，具有良好的经济和社会效益。本发明可广泛应用于各种无线信号接收系统。

Description

一种基于阵列天线的无线能量接收系统
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种无线能量接收系统。
背景技术
现有技术中，射频能量采集技术主要是利用单根天线接收无线信号，进入一个射频整流单元转换为直流电能，由于无线信号辐射的特性，单根天线接收无线信号方式对无线信号能量的利用效率非常低。
公开号为CN104579124A的中国专利申请公开文献中，公开了一种远程无线电能接收装置，使用光伏发电和微波输电相结合的方式为蓄电池进行充电，是工程人员易于想到的技术，仅仅是两个能量采集技术的直接同时作用。该装置中包含了微波射频整流天线阵列。但专利中并未有任何有关该阵列的细节技术，也并未提及如何实现能量转换。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种适用于多天线阵列的、切实可行的、可有效提高无线信号能量利用效率的能量转换装置。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于阵列天线的无线能量接收系统，包括阵列天线，所述阵列天线的输出端依次连接有第一阻抗匹配单元、射频功率合成单元和射频整流单元；所述第一阻抗匹配单元用于改善阵列天线与射频功率合成单元之间的阻抗匹配；所述阵列天线包括多个天线单元；所述射频功率合成单元用于对多个天线单元接收的多路射频信号进行功率合成；所述射频整流单元用于将射频信号转化为直流电信号输出。
优选的，所述射频功率合成单元和射频整流单元之间还连接有用于改善射频功率合成单元和射频整流单元之间阻抗匹配的第二阻抗匹配单元。
优选的，所述多个天线单元分组划分为N个子阵列天线；所述射频功率合成单元对应于N个子阵列天线设置N路射频功率合成子单元，每路射频功率合成子单元用于合成一个子阵列天线接收的多路射频信号；所述射频整流单元对应于N路射频功率合成子单元设置N路射频整流子单元，每路射频整流子单元用于将一路射频信号转化为直流电信号输出。
优选的，还包括直流功率合成单元，所述直流功率合成单元的输入端与射频整流单元的输出端连接，所述直流功率合成单元用于将多路直流电信号合成后输出。
优选的，所述直流功率合成单元包括对应于N路射频整流子单元设置的N路滤波子单元和N路限幅子单元，所述滤波子单元和限幅子单元分别用于对输入信号进行滤波和限制幅度处理后输出。
作为本发明第一种较优实施方式，所述直流功率合成单元采用级联式功率合成连接结构：第k路射频整流子单元输出的第k路直流电信号与第k+1路射频信号混合后输入第k+1路射频整流子单元，所述k为整数，并满足条件：1≤k≤N。
作为本发明第二种较优实施方式，所述直流功率合成单元采用级联式功率合成连接结构：第k路射频整流子单元输出的第k路直流电信号经过第k路滤波子单元和第k路限幅子单元分别进行滤波和限制幅度处理，然后与第k+1路射频信号混合后输入第k+1路射频整流子单元，所述k为整数，并满足条件：1≤k≤N。
优选的，所述直流功率合成单元还包括直流稳压单元，第N路射频整流子单元输出的第N路直流电信号经过直流稳压单元稳压处理后输出。
优选的，还包括负载或储能单元，所述负载或储能单元的输入端与直流功率合成单元的输出端连接。
优选的，所述第一阻抗匹配单元和第二阻抗匹配单元均为L型阻抗匹配单元。
本发明的有益效果是：
本发明利用阻抗匹配单元、射频功率合成单元和射频整流单元对阵列天线接收的射频信号进行信号处理和能量转换，克服了现有技术中单根天线接收无线信号方式对无线信号能量的利用效率低的技术问题，实现了一种适用于多天线阵列的、切实可行的、可大幅度提高无线射频信号能量利用效率的能量转换装置，而且结构简单，具有良好的经济和社会效益。
另外，本发明通过分组合成技术，使得本发明可适用于大型阵列天线；通过级联式的直流功率合成单元实现直流功率的合成输出；通过设置滤波子单元和限幅子单元，对每一路射频整流子单元输出的直流电信号都优先进行滤波和限制幅度，避免影响下一级的转换效率。
本发明可广泛应用于各种无线信号接收系统。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1是本发明一种实施例的电路原理框图；
图2是本发明第二阻抗匹配单元一种实施例用于实现阻抗匹配计算的Smith圆图；
图3是本发明第二阻抗匹配单元一种实施例L型匹配电路原理图；
图4是本发明直流功率合成单元一种实施例的电路原理框图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，一种基于阵列天线的无线能量接收系统，包括：
阵列天线：包含N个子阵列天线，每个子阵列天线包含多个天线单元。每个子阵列天线对应了一路射频功率合成子单元和一路射频整流子单元。
第一阻抗匹配单元：用于改善天线与射频功率合成单元之间的阻抗匹配，减少因失配而产生的信号损耗。本实施例中，第一阻抗匹配单元采用L型阻抗匹配单元。
射频功率合成单元：包括N路射频功率合成子单元，每路射频功率合成子单元用于对对应的子阵列天线中的多个天线单元接收的多路射频信号进行功率合成，功率合成的效率直接影响到能量转换的整体效率。
第二阻抗匹配单元：在射频信号功率合成后，利用第二阻抗匹配单元改善射频功率合成单元和对应的射频整流单元之间的阻抗匹配，减少因失配而产生的信号损耗，提高射频信号利用率。也可以利用多个第二阻抗匹配子单元改善对应的射频功率合成子单元和对应的射频整流子单元之间的阻抗匹配。
如图2和图3所示，射频功率合成单元的输出阻抗为Zout，射频整流单元的输入阻抗为Zin，一般情况下Zout≠Zin。为了提高整流单元的射频信号利用率，在射频功率合成单元和射频整流单元之间必须增加阻抗匹配单元，这里采用L型匹配网络。假设Zout=50Ω，Zin=3.00-j*46.40Ω，利用Smith圆图（如图2所示），即可得到如图3所示的L型匹配电路。图3中，电感L=3.8nH，电容C=5.2pF。
射频整流单元：包括N路射频整流子单元，用于将射频信号转化为直流电信号。
直流功率合成单元：用于合成多路射频整流子单元的输入，提高直流电信号利用率。
作为本发明第一种较优实施例，直流功率合成单元采用级联式合成方式，实现原理如图4所示。直流功率合成单元的工作步骤包括：第k路射频整流子单元输出的第k路直流电信号与第k+1路射频信号混合后输入第k+1路射频整流子单元，所述k为整数，并满足条件：1≤k≤N。具体的，如图4所示，第1路射频功率合成子单元输出的第1路射频信号经过第二阻抗匹配单元后输入到第1路射频整流子单元进行整流，然后输出第1路直流电信号，第1路直流电信号与第2路射频信号（第2路射频信号为第2路射频功率合成子单元经过第二阻抗匹配单元输出的射频信号）混合后输入第2路射频整流子单元进行整流，然后输出第2路直流电信号，第2路直流电信号与第3路射频信号混合后输入第3路射频整流子单元进行整流……依次类推，直至第N路射频整流子单元输出第N路直流电信号，第N路直流电信号经过直流稳压单元进行稳压处理后，输出到直流稳压信号到负载或储能单元。
作为本发明第二种较优实施例，直流功率合成单元包括对应于N路射频整流子单元设置的N路滤波子单元和N路限幅子单元，射频整流子单元输出的直流电信号首先经过滤波子单元和限幅子单元进行滤波和限幅处理，排除高次谐波和限制幅度，然后输出。直流功率合成单元采用级联式功率合成连接结构：第k路射频整流子单元输出的第k路直流电信号经过直流功率合成单元中的第k路滤波子单元和第k路限幅子单元分别进行滤波和限制幅度处理，然后与第k+1路射频信号混合后输入第k+1路射频整流子单元，所述k为整数，并满足条件：1≤k≤N。具体的，第1路射频功率合成子单元输出的第1路射频信号经过第二阻抗匹配单元后输入到第1路射频整流子单元进行整流，然后输出第1路直流电信号，第1路直流电信号依次经过直流功率合成单元的第1路滤波子单元和第1路限幅子单元分别进行滤波和限制幅度处理进行滤波，排除高次谐波和限制幅度，然后再与第2路射频信号（第2路射频信号为第2路射频功率合成子单元经过第二阻抗匹配单元输出的射频信号）混合后输入第2路射频整流子单元进行整流，然后输出第2路直流电信号，第2路直流电信号依次经过直流功率合成单元的第2路滤波子单元和第2路限幅子单元分别进行滤波和限制幅度处理进行滤波，排除高次谐波和限制幅度，然后再与第3路射频信号混合后输入第3路射频整流子单元进行整流……依次类推，直至第N路射频整流子单元输出第N路直流电信号，第N路直流电信号经过直流稳压单元进行稳压处理后，输出到直流稳压信号到负载或储能单元。
本发明利用阻抗匹配单元、射频功率合成单元和射频整流单元对阵列天线接收的射频信号进行信号处理和能量转换，克服了现有技术中单根天线接收无线信号方式对无线信号能量的利用效率低的技术问题，实现了一种适用于多天线阵列的、切实可行的、可大幅度提高无线射频信号能量利用效率的能量转换装置，而且结构简单，具有良好的经济和社会效益。
另外，本发明通过分组合成技术，使得本发明可适用于大型阵列天线；通过级联式的直流功率合成单元实现直流功率的合成输出；通过设置滤波子单元和限幅子单元，对每一路射频整流子单元输出的直流电信号都优先进行滤波和限制幅度，避免影响下一级的转换效率。
本发明可广泛应用于各种无线信号接收系统。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于阵列天线的无线能量接收系统，其特征在于，包括阵列天线，所述阵列天线的输出端依次连接有第一阻抗匹配单元、射频功率合成单元和射频整流单元；
所述第一阻抗匹配单元用于改善阵列天线与射频功率合成单元之间的阻抗匹配；
所述阵列天线包括多个天线单元；
所述射频功率合成单元用于对多个天线单元接收的多路射频信号进行功率合成；
所述射频整流单元用于将射频信号转化为直流电信号输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于阵列天线的无线能量接收系统，其特征在于，所述射频功率合成单元和射频整流单元之间还连接有用于改善射频功率合成单元和射频整流单元之间阻抗匹配的第二阻抗匹配单元。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于阵列天线的无线能量接收系统，其特征在于，所述多个天线单元分组划分为N个子阵列天线；
所述射频功率合成单元对应于N个子阵列天线设置N路射频功率合成子单元，每路射频功率合成子单元用于合成一个子阵列天线接收的多路射频信号；
所述射频整流单元对应于N路射频功率合成子单元设置N路射频整流子单元，每路射频整流子单元用于将一路射频信号转化为直流电信号输出。
4.根据权利要求3所述的一种基于阵列天线的无线能量接收系统，其特征在于，还包括直流功率合成单元，所述直流功率合成单元的输入端与射频整流单元的输出端连接，所述直流功率合成单元用于将多路直流电信号合成后输出。
5.根据权利要求4所述的一种基于阵列天线的无线能量接收系统，其特征在于，所述直流功率合成单元包括对应于N路射频整流子单元设置的N路滤波子单元和N路限幅子单元，所述滤波子单元和限幅子单元分别用于对输入信号进行滤波和限制幅度处理后输出。
6.根据权利要求4所述的一种基于阵列天线的无线能量接收系统，其特征在于，所述直流功率合成单元采用级联式功率合成连接结构：第k路射频整流子单元输出的第k路直流电信号与第k+1路射频信号混合后输入第k+1路射频整流子单元，所述k为整数，并满足条件：1≤k≤N。
7.根据权利要求5所述的一种基于阵列天线的无线能量接收系统，其特征在于，所述直流功率合成单元采用级联式功率合成连接结构：第k路射频整流子单元输出的第k路直流电信号经过第k路滤波子单元和第k路限幅子单元分别进行滤波和限制幅度处理，然后与第k+1路射频信号混合后输入第k+1路射频整流子单元，所述k为整数，并满足条件：1≤k≤N。
8.根据权利要求6或7所述的一种基于阵列天线的无线能量接收系统，其特征在于，所述直流功率合成单元还包括直流稳压单元，第N路射频整流子单元输出的第N路直流电信号经过直流稳压单元稳压处理后输出。
9.根据权利要求1、2、4、5、6或7所述的一种基于阵列天线的无线能量接收系统，其特征在于，还包括负载或储能单元，所述负载或储能单元的输入端与直流功率合成单元的输出端连接。
10.根据权利要求9所述的一种基于阵列天线的无线能量接收系统，其特征在于，所述第一阻抗匹配单元和第二阻抗匹配单元均为L型阻抗匹配单元。
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