CN108039591A - 具有谐波抑制能力的双线极化整流天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线能量传输技术领域，具体为一种具有谐波抑制能力的双线极化整流天线。该天线结构从上往下依次为一层含有一个方形铜贴片单元的辐射层，一层起支撑作用的介质板层。介质板的上表面为地层，上面刻蚀了一对相互垂直的U型缝隙，介质板的下表面由一对关于介质板对角线对称的馈线和整流电路组成。辐射层接收入射波后经U型缝隙耦合到馈线，再经过整流电路转换成直流能量输出。在地层刻蚀相互垂直分布的U型缝隙的结构与馈线组合可以产生良好的谐波抑制能力。根据两端口输出能量比不同选择两端口并联输出或者单端口输出可以获得最大转换效率。

Description

具有谐波抑制能力的双线极化整流天线
技术领域
本发明属于无线能量传输技术领域，具体涉及一种2.45GHz具有谐波抑制能力的双线极化整流天线。
背景技术
微波无线能量传输技术是一种利用微波为载体进行能量传输的技术。随着太阳能电站的研究，微波无线能量传输技术得到了广泛的研究。相对传统的有线能量传输技术，微波无线能量传输技术在许多场景下有巨大的优势，特别是在无线充电，能量采集，传感器等众多领域得到了广泛的关注和逐步的应用。
为接收微波能量，需要设计高效率的整流天线。整流天线由天线和整流电路组成，为了提高传输效率同时提高传输功率密度，这就要求整流天线具有较高的整流效率且结构紧凑。然而常规的整流天线由于将天线和整流电路作为两个独立的部分进行设计，限制了效率的提升潜力而且导致整流天线的体积较大不利于阵列的搭建。
通过对现有技术文献的检索发现，中国专利“一种基于WiFi频段的带谐波抑制的整流天线”（申请号201610812094.1）设计一种带谐波抑制能力的整流天线，即采用了将天线与整流电路作为两个独立的部分进行设计，虽然带有谐波抑制能力，但是不具备全极化接收能力且整体结构不紧凑，导致面积浪费多，同时在极化角改变时效率会急剧下降。
本发明采用耦合馈电的方法，通过对地平面的耦合孔的设计来说实现对谐波成分的抑制能力，同时通过馈线上并联开路短截线来控制通带中心频率，并采用双线极化来实现全极化接收能力。同时整流电路和馈线网络置于同一层，且位于天线贴片之下，并用地平面隔开所以整流电路不需要占用额外的面积。通过上述方法，可以实现高效率和紧凑的结构，同时有利于天线阵列的搭建。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种具有谐波抑制能力的双线极化整流天线，使其在具有全极化接收能力的同时，天线本身具有谐波抑制能力，减小了面积且提高了整流效率。同时整流电路内嵌入天线，不占用额外的面积，整体结构紧凑。
本发明提供的具有谐波抑制能力的双线极化整流天线，包括从上至下依次排布的辐射层、地层和馈线层；结构如图1、图2、图3、图4、图5所示。其中：
所述辐射层上有一个方形铜贴片，方形铜贴片位于天线正中，呈中心对称分布，铜贴片尺寸约为半波导波长；
所述地层和馈线层分别在一介质基板（一般层厚度可为0.4-1mm）的上、下表面；所述地层上镀铜，并刻蚀有一对相互垂直的U型缝隙，且一对相互垂直的U型缝隙关于一对角线对称分布；U型缝隙的底部缝隙较宽，U型缝隙的两臂缝隙较窄，且两臂长度相等，U型缝隙的宽缝隙长度和两个窄缝隙长度之和接近半波长，且相互垂直（参见图3所示），从而激励出空间正交的场，实现双极化。通过U型缝隙结构将辐射层和馈线层隔离开，减小了由馈电网络带来的寄生辐射，同时降低了交叉极化。
所述馈线层上分布两个有带开路短截线的馈电网络和两个整流电路，参见图4所示，且两个馈电网络以及两个整流电路，均关于一对角线对称分布；馈电网络的馈线两侧的开路短截线关于馈线中轴线轴对称分布，其中，从一端口输出信号可以实现一种线极化方式，从另一端口输出信号可以实现与之正交的线极化方式；而且馈线层上馈线网络和地层上的U型缝隙共同构成一个缺陷地结构（参见图1），使得天线本身具有良好的谐波抑制能力。由于天线具有良好的谐波抑制能力，所以整流电路中不再需要谐波抑制滤波器，使得整体结构更加紧凑，效率也更高。
本发明中，辐射层接收入射波后经U型缝隙耦合到馈线，再经过整流电路转换成直流能量输出。
本发明中，馈线层上的整流电路由通常的匹配网络、电容、整流二极管、带阻滤波器以及负载组成。
本发明中，辐射层与地层之间分离，中间为空气层，空气层厚度根据天线增益进行仿真优化得到；辐射层与地层之间通过对位孔实现对位，并利用螺栓进行固定。
本发明中，当两支路整流电路的能量比小于0.1时，选用能量较大的支路输出，否则选用两支路并联输出。
本发明设计的天线，工作频率2.45GHz,反射系数小于-10dB的带宽为60Mhz，二三次谐波处反射系数均大于-1dB。
与常规的整流天线相比，本设计通过地板U型缝隙和馈线网络的耦合形成缺陷地结构，具备良好的谐波抑制性能。采用U型缝隙耦合馈电的结构将辐射贴片和馈电层隔离开，减小了由馈电网络带来的寄生辐射而且使得整流电路不受天线辐射影响，可以置于天线结构内。同时U型缝隙呈正交放置，可以激励出空间正交场，实现双线极化并提高了隔离度。天线整体达到了体积小、效率高、可全极化接收、接收功率密度较高的性能。
附图说明
图1为本发明具有谐波抑制能力的双线极化整流天线整体示意图。
图2为本发明具有谐波抑制能力的双线极化整流天线辐射层示意图。
图3为本发明具有谐波抑制能力的双线极化整流天线地层示意图。
图4为本发明具有谐波抑制能力的双线极化整流天线馈线层的馈线部分示意图。
图5为本发明具有谐波抑制能力的双线极化整流天线馈线层的整流电路示意图。
图6为本发明具有谐波抑制能力的双线极化整流天线工作频率附近S参数仿真与实测结果示意图。
图7为本发明具有谐波抑制能力的双线极化整流天线谐波频率处回波系数仿真与实测结果示意图。
图8为本发明具有谐波抑制能力的双线极化整流天线整流效率实测结果示意图。
图中标号：1为电容，2为负载电阻，3为带阻滤波器，4为匹配网络；a为辐射层，b为地层，c为馈线层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提供的具有谐波抑制能力的双线极化整流天线，整体尺寸70cm×70cm×0.59cm（长×宽×高），结构如图1所示，包括：一层辐射层a、一层地层b、一层馈线层c。
如图2所示，本实施例所述的辐射层含有一个方形贴片，贴片的尺寸初始值为半波导波长，再经过的全波仿真软件ANSYS HFSS优化得到。辐射层选用的介质为FR-4，厚度为0.5mm，介电常数4.4。
如图3所示，本实施例所述的地层刻蚀了一对相互垂直的U型缝隙。U型缝隙的宽缝隙长度和两个窄缝隙长度之和接近半波长。
如图4-5所示，本实施例所述馈线层由带开路短截线的馈线网络和整流电路连接而成。地层与馈线层所在的介质板选用FR-4，厚度为0.8mm，介电常数4.4。
如图4所示，本实施例所述馈线层的馈线部分由馈线以及五段并联的开路短截线组成，其中四段为相同的结构。开路短截线可以控制缺陷地结构的通带中心频率，同时增强耦合。带开路短截线的馈线网络和地板上的U型缝隙共同构成一个缺陷地结构，使得天线本身具有良好的谐波抑制能力。
如图5所示，本实施例所述馈线层上的整流电路由匹配网络，电容，整流二极管，带阻滤波器，负载和必要的连接微带线组成。其中，1为电容，2为负载电阻，3为带阻滤波器，4为匹配网络。匹配网络将整流电路匹配至50欧姆后与天线连接。整流二极管与负载之间的带阻滤波器可以抑制二极管非线性效应产生的谐波成分输出到负载，从而提高效率。
如图1所示，本实施例所述的整流天线介质基板均为低成本FR-4，制造成本低。
如图6所示，本实施例所述的频率特性包括工作频率附近的S参数。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表S参数，单位为dB。本发明的具有谐波抑制能力的双线极化整流天线S11小于-10dB的带宽范围是2.42GHz~2.48GHz，而且在2.0GHz~3.0GHz频率范围内S21始终小于-12dB。
如图7所示，本实施例所述的频率特性包括谐波频率处反射系数。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表反射系数，单位为dB。本发明的具有谐波抑制能力的双线极化整流天线在二三次谐波处反射系数均大于-1dB。
如图8所示，本实施例所述的全极化方向接收能力由整流效率随极化角变化曲线体现。其中横坐标表示线极化入射波极化方向，单位为度，纵坐标代表整流效率，单位为%，输入功率为22.5dBm。本发明的具有谐波抑制能力的双线极化整流天线在入射波极化方向改变时，整流效率可以维持在72%以上。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。在上述说明的基础上还可以做出其他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 (4)

1.一种具有谐波抑制能力的双线极化整流天线，其特征在于，包括：从上至下依次排布的辐射层、地层和馈线层；其中：
所述辐射层上有一个方形铜贴片，方形铜贴片位于天线正中，呈中心对称分布，铜贴片尺寸约为半波导波长；
所述地层和馈线层分别在一介质基板的上、下表面；所述地层上镀铜，并刻蚀有一对相互垂直的U型缝隙，且这对相互垂直的U型缝隙关于一对角线对称分布；U型缝隙的底部缝隙较宽，U型缝隙的两臂缝隙较窄，且两臂长度相等，U型缝隙的宽缝隙长度和两个窄缝隙长度之和接近半波长；
所述馈线层上分布两个有带开路短截线的馈电网络和两个整流电路，且两个馈电网络以及两个整流电路，均关于一对角线对称分布；馈电网络的馈线两侧的开路短截线关于馈线中轴线轴对称分布，其中，从一端口输出信号可以实现一种线极化方式，从另一端口输出信号可以实现与之正交的线极化方式；而且馈线层上馈线网络和地层上的U型缝隙共同构成一个缺陷地结构。
2.根据权利要求1所述的双线极化整流天线，其特征在于，馈线层上的整流电路由通常的匹配网络、电容、整流二极管、带阻滤波器以及负载组成。
3.根据权利要求1所述的双线极化整流天线，其特征在于，辐射层与地层之间分离，中间为空气层，空气层厚度根据天线增益进行仿真优化得到；辐射层与地层之间通过对位孔实现对位，并利用螺栓进行固定。
4.根据权利要求1所述的双线极化整流天线，其特征在于，当两支路整流电路的能量比小于0.1时，选用能量较大的支路输出，否则选用两支路并联输出。
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