CN107968257A - 一种具有谐波抑制功能的倍压整流天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有谐波抑制功能的倍压整流天线，涉及微波天线技术领域。本发明所述整流天线由接收天线和整流电路两部分构成。本发明所述整流天线可以接收空间中的无线电波并转化为直流能量供电子器件使用；其中接收天线接收2.4GHz电磁波，通过整流电路转化为直流信号，再经过直流滤波电路最终获得可用的直流能量；该接收天线具有谐波抑制功能，能有效阻隔谐波辐射，提高整流效率。本发明所述整流天线转化的直流信号经过整流电路的倍压整流部分后可使输出电压变为输入电压两倍，供低功率传感器等元件使用。

Description

一种具有谐波抑制功能的倍压整流天线
技术领域
本发明属于微波天线技术技术领域，具体涉及一种具有谐波抑制功能的倍压整流天线。
背景技术
近些年来，微波无线输能受到越来越多的关注。微波输能具有损耗小，传输效率高的特点，其可应用于无人机，机器人，微型传感器，生物医学等领域。而整流天线则是微波输能系统的最核心的组成部分。整流天线作为微波输能系统的接收前端，影响着整个系统的接收，传输，转化效率。微带天线因其具有体积小，重量轻，极化方式灵活，易集成，易组阵，易加工等等优点被广泛应用于整流天线的接收天线设计中。而在接收天线设计中加入谐波抑制功能，则能有效减少高次谐波从天线发射出去，增加整流效率。整流电路设计中，如何合理的选用整流二极管，提升整流天线的整流效率，也是一个重要的设计难题。
文献“Kumar,Deepak,and K.Chaudhary."High-efficiency rectenna designfor satellite solar power station."IEEE Uttar Pradesh Section InternationalConference on Electrical,Computer and Electronics Engineering IEEE,2016:546-550.”提出了一种用于卫星上的接收太阳能的工作于2.45GHz的高效率整流天线。此款天线在设计过程中选用了4单元阵列天线。阵列天线能增大接收面积，一定程度上提高整流效率。在整理电路中二极管是非线性器件，会产生高次谐波。为了避免高次谐波从天线再次辐射出去，需要让天线具有谐波抑制功能。但是此整流天线在设计过程中没有考虑设计天线的谐波抑制功能，因此需要单独设计谐波滤波器。这样的设计使整个系统更加复杂，设计难度也随之提高。
文献“Tan,Guan Nan,X.X.Yang,and C.Tan."Design of rectifying circuitfor wireless power transmission in Ka band."Antennas and Propagation SocietyInternational Symposium IEEE,2014:639-640.”提出了一种用于Ka波段的整流天线。此款天线在设计过程中采用的是半波整流电路。输入信号有正半周期和负半周期信号，半波整流电路只能整流其中一个周期的信号。因此选用半波整流电路的整流效率比较低。
对于整流天线来说，如何设计出谐波抑制功能，以及合适的电路来提高整流效率，是整流天线设计中一个重要的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种用于无线输能的工作于2.4GHz具有谐波抑制功能的倍压整流天线。
本发明解决所述技术问题采取的技术方案是：
一种具有谐波抑制功能的倍压整流天线，包括接收天线和整流电路；接收天线具有谐波抑制功能，能够在接收2.4GHz信号的同时抑制4.8GHz和7.2GHz信号，包括扇形贴片6、介质基板5、金属地板和馈电微带线7；所述扇形贴片6的形状为240°扇形，其圆心左侧开有一矩形槽；馈电微带线7从矩形槽内进入与扇形贴片6连接；所述扇形贴片6与馈电微带线7都印刷于介质基板5的上表面，金属地板印刷于介质基板5的下表面。接收天线的谐波抑制功能主要由扇形贴片6的缺口实现，馈电微带线7实现50Ω阻抗匹配。
整流电路能够将输入信号整流并输出输入信号的两倍电压的直流信号，包括隔直电路、匹配电路、倍压整流部分、直流滤波电路、金属过孔和负载。所述隔直电路为与第一微带线串联的电容1；所述匹配电路功能是把倍压整流部分匹配到50Ω，其为并联在第一微带线上11的第二微带线2，第二微带线2的末端为开路状态；所述倍压整流部分中，第一微带线11通过二极管4与第三微带线12串联，第一微带线11与第四微带线13并联，第四微带线13的末端与二极管4串联并通过金属过孔801接地，第三微带线12与第五微带线14并联，第五微带线的末端与电容串联并通过金属过孔802接地；所述直流滤波电路中，第六微带线15与第七微带线16串联，在第六微带线15和第七微带线16的串联位置两侧分别并联有第八微带线17和第九微带线3；所述第六微带线15与第三微带线12串联；第七微带线16的末端与负载10串联并通过金属过孔803接地；所述金属过孔穿透介质基板与金属地板连接。
正半周期信号使二极管401导通，电容1充电。负半周期能量使二极管402导通，电容1和负半周期能量同时为电容9充电。因此，电容9上的电压为输入电压的两倍，从而实现倍压整流。所述直流滤波电路只允许直流信号进入负载。
整流电路通过特征阻抗为50Ω的λ/4(λ为整流天线工作频率所对应的波长)微带线与接收天线的馈电微带线7连接。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了一种具有谐波抑制功能的贴片天线，与传统贴片天线不同，具有谐波抑制的贴片天线可以抑制高次谐波辐射；
(2)本发明通过设计的具有谐波抑制功能的贴片天线与整流电路的结合，减少了低通滤波器的设计，使结构更简化；
(3)本发明提出了一种具有倍压特性的整流电路，使整流效率更高；
(4)本发明最终实现了接收空间中微波信号并转化为直流电供器件使用。
附图说明
图1是本发明所述接收天线的俯视图；
图2是本发明所述接收天线的主视图；
图3是本发明所述接收天线的侧视图；
图4是本发明所述整流电路的俯视图；
图5是本发明所述整流电路的主视图；
图6是本发明所述整流电路的侧视图；
图7是所述整流电路的原理图；
图8是所述的整流电路中直流滤波电路的仿真S参数曲线；
图9是所述接收天线的仿真S参数曲线；
图10是所述接收天线的方向图；
图11是本发明所述整流天线在20dBm输入功率下随着负载阻抗变化的整流效率；
图12是本发明所述整流天线在负载阻抗1000Ω时，随输入功率(W)变化的整流效率；
图13是本发明所述整流天线在20dBm输入功率下随负载阻抗变化的输出电压；
图14是本发明所述整流天线测试中的实物图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步描述。
一种具有谐波抑制功能的倍压整流天线，包括接收天线和整流电路；接收天线具有谐波抑制功能，能够在接收2.4GHz信号的同时抑制4.8GHz和7.2GHz信号，包括扇形贴片6、介质基板5、金属地板和馈电微带线7；所述扇形贴片6的形状为240°扇形，其圆心左侧开有一矩形槽；馈电微带线7从矩形槽内进入与扇形贴片6连接；所述扇形贴片6与馈电微带线7都印刷于介质基板5的上表面，金属地板印刷于介质基板5的下表面。接收天线的谐波抑制功能主要由扇形贴片6的缺口实现，馈电微带线7实现50Ω阻抗匹配。
整流电路能够将输入信号整流并输出输入信号的两倍电压的直流信号，包括隔直电路、匹配电路、倍压整流部分、直流滤波电路、金属过孔和负载。所述隔直电路为与第一微带线串联的电容1；所述匹配电路功能是把倍压整流部分匹配到50Ω，其为并联在第一微带线上11的第二微带线2，第二微带线2的末端为开路状态；所述倍压整流部分中，第一微带线11通过二极管4与第三微带线12串联，第一微带线11与第四微带线13并联，第四微带线13的末端与二极管4串联并通过金属过孔801接地，第三微带线12与第五微带线14并联，第五微带线的末端与电容串联并通过金属过孔802接地；所述直流滤波电路中，第六微带线15与第七微带线16串联，在第六微带线15和第七微带线16的串联位置两侧分别并联有第八微带线17和第九微带线3；所述第六微带线15与第三微带线12串联；第七微带线16的末端与负载10串联并通过金属过孔803接地；所述金属过孔穿透介质基板与金属地板连接。
所述介质基板选用厚度为1.6mm介电常数2.2的FBM4材料。
所述接收天线接收空间中2.4GHz微波能量，从图9可以看出，接收天线在2.4GHz有着良好的S11参数，但是在4.8GHz与7.2GHz的S11参数较差，说明接收天线可以接收2.4GHz信号，同时又能抑制4.8GHz与7.2GHz信号的二次辐射。图10为接收天线方向图，最大增益为6.6dBi。
所述整流电路可以倍压整流2.4GHz信号输出直流信号，从图8可以看出，所述滤波器在2.4GHz，4.8GHz和7.2GHz呈现带阻特性，能够有效滤波输出信号中的高频信号，使输出信号中只有直流信号，同时能将高频谐波信号反射回二极管二次整流。所述整流电路原理图如图7所示，输入正向电流导通二极管1为电容1充电；反向电流导通二极管2，电容1与方向电流同时为电容2充电，实现倍压整流。所述匹配电路实现2.4GHz，50Ω阻抗匹配。
二极管为非线性器件，会产生高次谐波，因为本整流天线的设计，高次谐波只会在直流滤波电路与接收天线之间存在，不会对输出信号产生影响，也不会通过天线辐射出去损耗大量能量，同时高次谐波信号能被多次整流，提高整流天线效率。
所述接收天线与整流电路组合为整流天线，实物图如图14所示。随负载变化的整流效率如图11所示，输入功率为20dBm，在负载阻抗1000Ω时，整流效率达到最大73％。当负载阻抗为1000Ω，随输出功率变化的整流效率如图12所示。输出电压随负的变化如图13所示。当负载阻抗为100Ω时，整流输出2V电压，20mA电流，在此功率输出下可点亮LED灯。
综上所述，本实施例整流天线可以接收空间中2.4GHz微波能量并转化为直流信号输出，在负载1000Ω，输入功率20dBm时有最大整流效率73％，实现了较高的整流效率。并在实物实验中，成功点亮LED二极管小灯。

Claims (3)

1.一种具有谐波抑制功能的倍压整流天线，其特征在于，包括接收天线和整流电路；整流电路包括隔直电路、匹配电路、倍压整流部分、直流滤波电路、金属过孔和负载；所述隔直电路为与第一微带线串联的电容1；所述匹配电路为并联在第一微带线上11的第二微带线2，第二微带线2的末端为开路状态；所述倍压整流部分中，第一微带线11通过二极管4与第三微带线12串联，第一微带线11与第四微带线13并联，第四微带线13的末端与二极管4串联并通过金属过孔801接地，第三微带线12与第五微带线14并联，第五微带线的末端与电容串联并通过金属过孔802接地；所述直流滤波电路中，第六微带线15与第七微带线16串联，在第六微带线15和第七微带线16的串联位置两侧分别并联有第八微带线17和第九微带线3；所述第六微带线15与第三微带线12串联；第七微带线16的末端与负载10串联并通过金属过孔803接地；所述金属过孔穿透介质基板与金属地板连接；整流电路通过特征阻抗为50Ω的λ/4微带线与接收天线连接。
2.根据权利要求1所述的具有谐波抑制功能的倍压整流天线，其特征在于，接收天线包括扇形贴片6、介质基板5、金属地板和馈电微带线7；所述扇形贴片6的形状为240°扇形，其圆心左侧开有一矩形槽；馈电微带线7从矩形槽内进入与扇形贴片6连接；所述扇形贴片6与馈电微带线7都印刷于介质基板5的上表面，金属地板印刷于介质基板5的下表面。
3.根据权利要求1所述的具有谐波抑制功能的倍压整流天线，其特征在于，正半周期信号使二极管401导通，电容1充电；负半周期能量使二极管402导通，电容1和负半周期能量同时为电容9充电；电容9上的电压为输入电压的两倍，从而实现倍压整流；所述直流滤波电路只允许直流信号进入负载。
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