CN107947392A - 一种低剖面小型微波输能整流器 - Google Patents

一种低剖面小型微波输能整流器 Download PDF

Info

Publication number
CN107947392A
CN107947392A CN201711335594.1A CN201711335594A CN107947392A CN 107947392 A CN107947392 A CN 107947392A CN 201711335594 A CN201711335594 A CN 201711335594A CN 107947392 A CN107947392 A CN 107947392A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
rectifier
low section
energy
section small
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201711335594.1A
Other languages
English (en)
Inventor
宋乃涛
高劲松
徐念喜
单冬至
王岩松
陈新
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Original Assignee
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS filed Critical Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority to CN201711335594.1A priority Critical patent/CN107947392A/zh
Publication of CN107947392A publication Critical patent/CN107947392A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/20—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves
    • H02J50/27—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves characterised by the type of receiving antennas, e.g. rectennas

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Abstract

本发明公开了一种低剖面小型微波输能整流器，其包括有至少一个整流组件，所述整流组件包括由前至后依次设置的频率选择表面层、金属地板层和整流电路层，所述频率选择表面层、金属地板层和整流电路层之间通过两个基板分隔，所述频率选择表面层通过贯穿于金属地板层和基板的金属过孔与整流电路层连接，且所述金属过孔与金属地板层相互绝缘，所述整流电路层包括有二极管、走线和输出端，所述金属过孔通过走线而连接于二极管的阳极，所述二极管的阴极连接于输出端。本发明能实现电磁波能量的高效传输，同时满足低剖面、小型化、低成本要求。

Description

一种低剖面小型微波输能整流器
技术领域
本发明涉及微波能量转化装置，尤其涉及一种低剖面小型微波输能整流器。
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。在太空中建立太阳能卫星基地，将源源不断的清洁太阳能转换为电能，然后将电能转换成适当频率的微波能量，再由发射天线定向辐射到地球上，并由整流组件接收能量，最终通过整流组件将微波能量转换成可以方便使用和存储的直流电能。
无线微波输能(MPT)主要应用于太阳能卫星系统，并在高空飞行器供能、恶劣环境电力传输、低功率组件供电如无线身份识别(RFID)供电、人体内部医疗器械供电、手机电池无线充电等领域得到了重要应用。微波输能有三个过程：1.微波的产生；2.微波的发射和传输；3.微波的接收和转换。在整个MPT系统中，主要装置是整流组件，其一般包含接收整流天线及整流电路，它能够完成MPT的第三个过程，即接收一定频率的微波并将其转换成直流电。接收电磁能量的整流组件是MPT系统的关键技术，早期的接收整流一般为抛物面天线或喇叭天线，但是天线的重量高、体积大，此后多采用铝条做成的半波偶极子天线用于接收，虽然在一定程度上减小了接收天线的重量和体积，但依然无法满足小型化要求，难以推广应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种能实现电磁波能量的高效传输，同时满足低剖面、小型化、低成本要求的微波输能整流器。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种低剖面小型微波输能整流器，其包括有至少一个整流组件，所述整流组件包括由前至后依次设置的频率选择表面层、金属地板层和整流电路层，所述频率选择表面层、金属地板层和整流电路层之间通过两个基板分隔，所述频率选择表面层通过贯穿于金属地板层和基板的金属过孔与整流电路层连接，且所述金属过孔与金属地板层相互绝缘，所述整流电路层包括有二极管、走线和输出端，所述金属过孔通过走线连接于二极管的阳极，所述二极管的阴极连接于输出端。
优选地，所述整流电路层还包括有隔直电容，所述隔直电容的一端通过走线而连接于金属过孔，所述隔直电容的另一端连接于输出端。
优选地，所述二极管的阴极与输出端之间连接有微带枝节。
优选地，所述频率选择表面层包括由前至后依次设置的电容层、电感层和金属贴片层，所述电容层、电感层和金属贴片层之间通过两个基板分隔。
优选地，所述电容层与金属贴片层的结构相同。
优选地，所述电感层为金属栅格。
优选地，所述金属过孔的端部连接于电感层。
优选地，所述金属地板层上开设有圆形的避空位，所述金属过孔穿过所述避空位，所述避空位的直径大于金属过孔的直径，以令所述金属过孔与金属地板层之间形成缝隙。
优选地，所述基板是厚度为2mm的聚四氟乙烯基板。
优选地，包括有多个整流组件，多个整流组件呈阵列式拼接。
本发明公开的低剖面小型微波输能整流器中，将频率选择表面层作为电磁波接收器件，用于减少工作频段内电磁波的反射，金属地板层用于阻隔所有频段的电磁波，保证电磁波不会透过，使得工作频段内大部分电磁能量经由金属过孔而流入整流电路层，通过合理设计过孔位置能使电磁波能量高效地到达整流电路层，在二极管的作用下将电信号整流，并由输出端输出直流信号，基于上述结构，本发明实现了电磁波能量的高效传输，同时，所述频率选择表面层、金属地板层、整流电路层和基板采用印刷多层线路板的工艺制备而成，使得整流组件满足低剖面、小型化、低成本等要求，适合在微波能量转化装置中推广应用，并具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明多个整流组件阵列式拼接后的结构图。
图2为本发明整流组件的结构图。
图3为本发明整流组件的剖面结构示意图。
图4为本发明整流电路层的电路原理图。
图5为本发明整流组件的分解图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
本发明公开了一种低剖面小型微波输能整流器，结合图1至图5所示，其包括有至少一个整流组件1，所述整流组件1包括由前至后依次设置的频率选择表面层2、金属地板层3和整流电路层4，所述频率选择表面层2、金属地板层3和整流电路层4之间通过两个基板5分隔，所述频率选择表面层2通过贯穿于金属地板层3和基板5的金属过孔6而连接于整流电路层4，且所述金属过孔6与金属地板层3相互绝缘，所述整流电路层4包括有二极管D1、走线7和输出端8，所述金属过孔6通过走线7而连接于二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极连接于输出端8。
上述微波输能整流器中，将频率选择表面层2作为电磁波接收器件，用于减少工作频段内电磁波的反射，金属地板层3用于阻隔所有频段的电磁波，保证电磁波不会透过，使得工作频段内大部分电磁能量经由金属过孔6而流入整流电路层4，通过合理设计过孔位置能使电磁波能量高效地到达整流电路层4，在二极管D1的作用下将电信号整流，并由输出端8输出直流信号，基于上述结构，本发明实现了电磁波能量的高效传输，同时，所述频率选择表面层2、金属地板层3、整流电路层4和基板5采用印刷多层线路板的工艺制备而成，使得整流组件满足低剖面、小型化、低成本等要求，适合在微波能量转化装置中推广应用，并具有较好的应用前景。
本发明优选采用了耦合型FSS层(即频率选择表面层)，由于耦合型FSS具有小型化特点，其周期尺寸小于工作波长的十分之一，使得整流组件的大小可以进一步缩小。
本实施例中，请参照图4，所述整流电路层4还包括有隔直电容C1，所述隔直电容C1的一端通过走线7而连接于金属过孔6，所述隔直电容C1的另一端连接于输出端8。
本发明通过设计频率选择表面层2，使得电磁波到达频率选择表面层2时在工作频段内无反射，在工作频带外全反射，耦合型频率选择表面层2具有小型化特点，晶格周期经设计后可以小于工作波长十分之一，金属地板层3能保证所有电磁波都不能透过整流组件，致使整流组件具有较高的空间电磁波截获效率。同时，本发明合理设计过孔位置，在频率选择表面层2表面的感应电流最强处开过孔，则绝大部分感应电流都经过孔流向整流电路，保证整流组件具有高的电磁波耦合效率。其次，合理设计整流电路，使用低反偏电容，开关响应快的二极管做整流器，在直流输出端用隔直电容防止高次谐波的反射。此外，整流组件工作在5.8GHz,该频率电磁波穿过大气层时衰减较小，是微波的“大气窗口”并且相对2.45GHz整流组件尺寸更小，更满足小型化的要求。
本实施例中，所述二极管D1的阴极与输出端8之间连接有微带枝节9。其中，二极管与输出段之间的微带枝节9作为直通滤波器，可防止基频通过并保证直流信号到达输出端。为获得高整流效率，二极管的选择十分关键，要求二极管开关速度快且有较低的导通电压，允许较高的微波功率输入。
关于频率选择表面层2的具体结构，结合图3和图5所示，所述频率选择表面层2包括由前至后依次设置的电容层20、电感层21和金属贴片层22，所述电容层20、电感层21和金属贴片层22之间通过两个基板5分隔。
本实施例中，所述电容层20与金属贴片层22的结构相同。所述电感层21为金属栅格。
作为一种优选方式，所述金属过孔6的端部连接于电感层21。由于耦合型频率选择表面层2谐振时电感层21的感应电流最强，所以本发明优选在电感层21开设金属过孔6，并利用金属过孔6引导感应电流，进而提高整流组件的性能。
本实施例中，所述金属地板层3上开设有圆形的避空位30，所述金属过孔6穿过所述避空位30，所述避空位30的直径大于金属过孔6的直径，以令所述金属过孔6与金属地板层3之间形成缝隙。在圆形避空位30的作用下，使得金属过孔6与金属地板层3不连接，使得电磁波透过频率选择表面层2但无法穿过金属地板层3，所有电磁能量均由金属过孔6到达整流电路层4，保证了整流组件具有较高的空间电磁波截获效率。
本实施例中，所述基板5是厚度为2mm的聚四氟乙烯基板。其中，电容层20和金属贴片层22均是厚度为18微米的铜，基板5的相对介电常数为2.2，损耗正切角为0.0009。
实际应用中，所述微波输能整流器包括有多个整流组件1，多个整流组件1呈阵列式拼接。例如采用2×2结构阵列或其他形式的阵列，多个整流组件1经过拼接后，使得微波输能整流器整体上具有低剖面、小型化等特点。
本发明公开的低剖面小型微波输能整流器，其使用耦合型频率选择表面层2作为对电磁波的吸收层，具有小型化的特点，单元尺寸可降低为工作波长的十分之一；同时，本发明中的各层结构采用印刷线路板工艺制备，制备方法简单、成本低廉；此外，本发明相比现有的分离式整流器件而言具有低剖面的特点，整个整流组件厚度仅为8毫米，可应用于便携设备的无线充能装置中。
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种低剖面小型微波输能整流器，其特征在于，包括至少一个整流组件(1)，所述整流组件(1)包括由前至后依次设置的频率选择表面层(2)、金属地板层(3)和整流电路层(4)；
所述频率选择表面层(2)、所述金属地板层(3)和所述整流电路层(4)之间通过两个基板(5)分隔，所述频率选择表面层(2)通过贯穿于所述金属地板层(3)和所述基板(5)的金属过孔(6)与所述整流电路层(4)连接，且所述金属过孔(6)与所述金属地板层(3)相互绝缘；
所述整流电路层(4)包括二极管(D1)、走线(7)和输出端(8)，所述金属过孔(6)通过走线(7)连接于二极管(D1)的阳极，所述二极管(D1)的阴极连接于输出端(8)。
2.如权利要求1所述的低剖面小型微波输能整流器，其特征在于，所述整流电路层(4)还包括有隔直电容(C1)，所述隔直电容(C1)的一端通过走线(7)而连接于金属过孔(6)，所述隔直电容(C1)的另一端连接于输出端(8)。
3.如权利要求1所述的低剖面小型微波输能整流器，其特征在于，所述二极管(D1)的阴极与输出端(8)之间连接有微带枝节(9)。
4.如权利要求1所述的低剖面小型微波输能整流器，其特征在于，所述频率选择表面层(2)包括由前至后依次设置的电容层(20)、电感层(21)和金属贴片层(22)，所述电容层(20)、电感层(21)和金属贴片层(22)之间通过两个基板(5)分隔。
5.如权利要求4所述的低剖面小型微波输能整流器，其特征在于，所述电容层(20)与金属贴片层(22)的结构相同。
6.如权利要求4所述的低剖面小型微波输能整流器，其特征在于，所述电感层(21)为金属栅格。
7.如权利要求6所述的低剖面小型微波输能整流器，其特征在于，所述金属过孔(6)的端部连接于电感层(21)。
8.如权利要求1所述的低剖面小型微波输能整流器，其特征在于，所述金属地板层(3)上开设有圆形的避空位(30)，所述金属过孔(6)穿过所述避空位(30)，所述避空位(30)的直径大于金属过孔(6)的直径，以令所述金属过孔(6)与金属地板层(3)之间形成缝隙。
9.如权利要求1所述的低剖面小型微波输能整流器，其特征在于，所述基板(5)是厚度为2mm的聚四氟乙烯基板。
10.如权利要求1所述的低剖面小型微波输能整流器，其特征在于，包括有多个整流组件(1)，多个整流组件(1)呈阵列式拼接。
CN201711335594.1A 2017-12-14 2017-12-14 一种低剖面小型微波输能整流器 Pending CN107947392A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711335594.1A CN107947392A (zh) 2017-12-14 2017-12-14 一种低剖面小型微波输能整流器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711335594.1A CN107947392A (zh) 2017-12-14 2017-12-14 一种低剖面小型微波输能整流器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107947392A true CN107947392A (zh) 2018-04-20

Family

ID=61943227

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711335594.1A Pending CN107947392A (zh) 2017-12-14 2017-12-14 一种低剖面小型微波输能整流器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107947392A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112688044A (zh) * 2020-11-24 2021-04-20 锐石创芯（深圳）科技有限公司 集成电路芯片和射频模组

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102723788A (zh) * 2012-06-08 2012-10-10 江苏大学 传感器的无线能量双频接收装置
CN104467466A (zh) * 2014-11-19 2015-03-25 中国电子科技集团公司第二十研究所 一种宽带微波输能整流组件
CN105071555A (zh) * 2015-09-10 2015-11-18 浙江大学自贡创新中心 一种微波能量接收板
CN105356623A (zh) * 2015-11-27 2016-02-24 华南理工大学 一种高效率整流电路
CN105915074A (zh) * 2016-04-25 2016-08-31 华南理工大学 一种宽频带高效率的微波整流器
CN107086374A (zh) * 2017-04-07 2017-08-22 南京航空航天大学 一种小型化低剖面超宽通带频率选择表面及其设计方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102723788A (zh) * 2012-06-08 2012-10-10 江苏大学 传感器的无线能量双频接收装置
CN104467466A (zh) * 2014-11-19 2015-03-25 中国电子科技集团公司第二十研究所 一种宽带微波输能整流组件
CN105071555A (zh) * 2015-09-10 2015-11-18 浙江大学自贡创新中心 一种微波能量接收板
CN105356623A (zh) * 2015-11-27 2016-02-24 华南理工大学 一种高效率整流电路
CN105915074A (zh) * 2016-04-25 2016-08-31 华南理工大学 一种宽频带高效率的微波整流器
CN107086374A (zh) * 2017-04-07 2017-08-22 南京航空航天大学 一种小型化低剖面超宽通带频率选择表面及其设计方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MUDAR AL-JOUMAYLY ET AL.: "A New Technique for Design of Low-Profile, Second-Order, Bandpass Frequency Selective Surfaces", 《IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION》 *
梅欢等: "圆极化整流天线阵列设计与实验", 《电工技术学报》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112688044A (zh) * 2020-11-24 2021-04-20 锐石创芯（深圳）科技有限公司 集成电路芯片和射频模组
CN112688044B (zh) * 2020-11-24 2021-07-23 锐石创芯（深圳）科技有限公司 集成电路芯片和射频模组

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lin et al. Electrically small, low-profile, highly efficient, Huygens dipole rectennas for wirelessly powering Internet-of-Things devices
WO2009064736A1 (en) Structures, systems and methods for harvesting energy from electromagnetic radiation
CN107968257B (zh) 一种具有谐波抑制功能的倍压整流天线
CN104300697A (zh) 一种分离式接收整流电路
CN108199151A (zh) 一种能量信息并行传输整流天线阵列
Zhang Rectennas for RF wireless energy harvesting
CN101281992A (zh) 无线芯片及无线设备
CN104467201A (zh) 一种小型化无线网络输电接收单元
Duan et al. Short-distance wireless power transfer based on microwave radiation via an electromagnetic rectifying surface
CN105337021A (zh) 一种小型化高效微波输能整流阵
Suri et al. A 5.8 GHz inset-fed rectenna for RF energy harvesting applications
CN107947392A (zh) 一种低剖面小型微波输能整流器
Elsheakh Microwave antennas for energy harvesting applications
Kaur et al. RF energy harvesting and storage system of rectenna: A review
Huang et al. Polarization-insensitive and wide-angle metasurface to harvest dual-band energy in an ISM band
JP2001267836A (ja) 携帯無線端末用パッチアンテナ
Amer et al. Wide-coverage suspended metasurface energy harvester for ISM band applications
Meneses Ghiglino Ultra-wideband (UWB) rectenna design for electromagnetic energy harvesting
CN104467466A (zh) 一种宽带微波输能整流组件
CN2263405Y (zh) 行动电话的环形天线
JPH0833243A (ja) マイクロ波受電装置
CN112201945A (zh) 柔性整流天线
Aljaloud et al. A flexible 2.45 GHz rectenna using electrically small loop antenna
Saxena et al. Efficient rectenna circuit for wireless power transmission
CN206907923U (zh) 天线调谐结构和移动终端

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180420

RJ01 Rejection of invention patent application after publication