CN108281774A - 一种双极化方向回溯整流天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双极化方向回溯整流天线阵列，包括三层结构，即上层介质层、中层金属地板、下层介质层，在上层介质层上设有辐射贴片，在中层金属地板上设有耦合缝隙，在下层介质层上设有微带馈线；所述辐射贴片、耦合缝隙及微带馈线组成双极化方向回溯天线阵列，同时，在下层介质层上设置有整流电路，所述的微带馈线与整流电路的输入端微带线相连，其宽度相同，两个输出端口工作时分别辐射水平极化波和垂直极化波；当二极管导通时，整流电路完成整流，形成双极化方向回溯整流天线阵列。本发明可以有效解决由对准敏感带来效率下降问题，在较大的角度内实时跟踪来波，实现天线阵列的方向回溯性能，可用于无线通信、车载雷达和无线输能等领域。

Description

一种双极化方向回溯整流天线阵列
技术领域
本发明涉及无线能量传输领域，具体是一种双极化方向回溯整流天线阵列。
背景技术
在过去的几十年中，微波无线输能（microwave wireless power transmission，MPT）技术成为解决未来能源问题的研究热点。MPT技术以微波为载体，在两点之间进行能量的无线传输，其应用包括空对空、地对空、空对地和地对地。对于一个高效的微波能量传输系统，由于收发天线阵列的波束宽度很窄，需要严格对准，否则，整流天线效率将急剧下降。
方向回溯天线（Retrodirective Antenna，RDA）阵列是一类能够将入射电磁波自动反射到入射方向的天线阵列。不同于其他种类的自适应跟踪天线，RDA阵列能够在无需预先知道入射电磁波方向信息且无需借助复杂数字信号处理方法的前提下，实现天线阵列的自适应跟踪性能。
角反射器（Corner Reflector）是较早被提出的无源回溯反射器件，其利用入射电磁波在金属面间的多次反射来实现器件的回溯特性。虽然角反射器有结构简单、易于实现等优点，但是其笨重的立体结构给系统的集成带来了较大困难。I.C. Van Atta在1959年提出的Van Atta阵列（无源RDA阵列），基于波前反转的原理可以实现易于集成的平面RDA阵列，开启了平面RDA阵列的研究。之后的几十年，人们在波前反转原理的基础上，对平面RDA阵列进行了更加深入的研究，并提出了各种新的RDA阵列实现方案。
无源Van Atta阵列作为最简单的RDA阵列，主要利用天线单元间的互连网络来调节天线单元的相位特性，以此来实现入射电磁波的波前反转；有源Van Atta阵列在无源VanAtta阵列天线单元互连网络之间添加了有源的放大电路或者调制电路，可以进一步提高天线阵列的回溯和跟踪性能；相位共扼RDA阵列（Pon Array）没有利用天线单元间的互连网络来实现其回溯特性，而是直接利用电路单元在混频过程中所产生的具有共扼相位的射频和中频信号来实现对入射电磁波的波前反转特性，因此实现结构灵活多变，适用于大型阵列和多维回溯特性的应用。
相位共轭阵和Van Atta阵是方向可回溯天线的两种基本阵列结构。相位共轭阵需要混频电路以及本振信号使得其与整流天线很难集成，而Van Atta天线阵通过特定长度传输线将阵元连接起来，其结构简单。Van Atta天线阵可以是有源的也可以是无源的，不像相位共轭阵必须采用有源器件，因此Van Atta天线阵的诸多优点使得它非常容易与整流电路集成。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种双极化方向回溯整流天线阵列，在较大的角度内实时跟踪来波，实现天线阵列的方向回溯性能。方向回溯整流天线阵可以解决整流效率对入射波角度敏感的问题，在无需预先知道入射电磁波方向信息且无需借助复杂数字信号处理方法的前提下，实现天线阵列的自适应跟踪性能。该整流天线不仅有方向回溯角度宽、整流效率高的优点，且复杂度低、结构简单、加工方便、易于组阵，适于大规模的生产应用，具有较高的应用价值。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案。
一种双极化方向回溯整流天线阵列，包括三层结构，即上层介质层、中层金属地板、下层介质层，在上层介质层上设有辐射贴片，在中层金属地板上设有耦合缝隙，在下层介质层上设有微带馈线；所述辐射贴片、耦合缝隙及微带馈线组成双极化方向回溯天线阵列，同时，在下层介质层上设置有整流电路，所述的微带馈线与整流电路的输入端微带线相连，其宽度相同，两个输出端口工作时分别辐射水平极化波和垂直极化波；当二极管导通时，整流电路完成整流，形成双极化方向回溯整流天线阵列。
所述双极化方向回溯天线阵列为呈中心对称的四元阵，每个阵元由上层的辐射贴片、中层的耦合缝隙和底层的微带馈线组成，辐射贴片接收电磁波能量，通过耦合缝隙将电磁波能量传输到微带馈线上；所述辐射贴片采用四角星形，耦合缝隙采用哑铃形，辐射贴片、耦合缝隙和微带馈线都存在有效尺寸。
所述整流电路采用差分整流电路，由整流二极管、输入匹配电路和直通滤波器组成；所述输入匹配电路连接在整流二极管至直通滤波器之间，用于消除整流二极管的虚部达到匹配；直通滤波器滤除高次谐波，其两个输出端与负载电阻相连，所述输入匹配电路存在有效尺寸。
所述层介质层、中层金属地板、下层介质层上布有用以封装的非金属化通孔。
所述微带馈线的特性阻抗为50欧姆。
与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：
本发明解决在获得宽回溯角度的情况下，使整流天线具有结构简单、频带宽、易集成和易加工的优点。采用缝隙耦合结构具有谐波抑制，省去了滤波电路，减小整流天线面积，结构简单，便于加工和集成；将天线辐射单元和馈线结构放置在不同层上简化设计，多层结构一定程度上增加天线带宽。
本发明通过Van Atta阵列技术实现整流天线宽回溯角度，保证二极管得到足够的射频能量，以使整流电路具有高转换效率。该天线阵列具有自适应跟踪性能，在无线通信、车载雷达和功率传输等领域有着巨大的应用潜力。
采用无源的Van Atta整流天线阵作为接收天线。且由于无源Van Atta天线阵仅需要依靠天线单元和无源互连网络来实现其回溯特性，无需添加有源电路或者复杂的数字信号处理和控制电路，所以相对其他形式的RDA阵列具有低成本、低复杂度、响应快速、易加工和易集成等优势。
采用双极化微带天线作为整流天线阵列的接收单元，可以在两个极化方向上分别获得方向回溯性能，易于组成多元阵列；
二极管放置在两个馈线的中间，当二极管导通时，对于天线而言形成方向回溯天线阵，对于整流电路而言同时完成了整流，简化设计，结构紧凑；当功率密度为 4.32mW/cm2时，两个极化端口均获得70.8%的最高整流效率。
附图说明
图1是双极化方向回溯整流天线阵列结构顶视图。
图2是双极化方向回溯整流天线阵列结构侧视图。
图3是双极化方向回溯整流天线阵列结构示意图。
图4是整流电路结构示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
如图1至图3所示，一种双极化方向回溯整流天线阵列，包括三层结构，即上层介质层6、中层金属地板7、下层介质层8，在上层介质层6上设有辐射贴片3，在中层金属地板7上设有耦合缝隙4，在下层介质层8上设有微带馈线5；所述辐射贴片3、耦合缝隙4及微带馈线5组成双极化方向回溯天线阵列1，同时，在下层介质层8上设置有整流电路2，所述的微带馈线5与整流电路2的输入端微带线相连，其宽度相同，两个输出端口工作时分别辐射水平极化波和垂直极化波；当二极管导通时，整流电路2完成整流，形成双极化方向回溯整流天线阵列。
所述双极化方向回溯天线阵列1为呈中心对称的四元阵，每个阵元由上层的辐射贴片3、中层的耦合缝隙4和底层的微带馈线5组成，辐射贴片3接收电磁波能量，通过耦合缝隙4将电磁波能量传输到微带馈线5上；所述辐射贴片3采用四角星形，耦合缝隙4采用哑铃形，辐射贴片3、耦合缝隙4和微带馈线5都存在有效尺寸。
如图4所示，所述整流电路2采用差分整流电路，由整流二极管9、输入匹配电路10和直通滤波器11组成；所述输入匹配电路10连接在整流二极管9至直通滤波器11之间，用于消除整流二极管9的虚部达到匹配；直通滤波器11滤除高次谐波，其两个输出端与负载电阻12相连，所述输入匹配电路10存在有效尺寸。
所述层介质层6、中层金属地板7、下层介质层8上布有用以封装的非金属化通孔13。
所述微带馈线5的特性阻抗为50欧姆。
本实施例的双极化方向回溯整流天线阵列在C波段有70.8%的转换效率。

Claims (5)

1.一种双极化方向回溯整流天线阵列，其特征在于，包括三层结构，即上层介质层（6）、中层金属地板（7）、下层介质层（8），在上层介质层（6）上设有辐射贴片（3），在中层金属地板（7）上设有耦合缝隙（4），在下层介质层（8）上设有微带馈线（5）；所述辐射贴片（3）、耦合缝隙（4）及微带馈线（5）组成双极化方向回溯天线阵列（1），同时，在下层介质层（8）上设置有整流电路（2），所述的微带馈线（5）与整流电路（2）的输入端微带线相连，其宽度相同，两个输出端口工作时分别辐射水平极化波和垂直极化波；当二极管导通时，整流电路（2）完成整流，形成双极化方向回溯整流天线阵列。
2.根据权利要求1所述的双极化方向回溯整流天线阵列，其特征在于，所述双极化方向回溯天线阵列（1）为呈中心对称的四元阵，每个阵元由上层的辐射贴片（3）、中层的耦合缝隙（4）和底层的微带馈线（5）组成，辐射贴片（3）接收电磁波能量，通过耦合缝隙（4）将电磁波能量传输到微带馈线（5）上；所述辐射贴片（3）采用四角星形，耦合缝隙（4）采用哑铃形，辐射贴片（3）、耦合缝隙（4）和微带馈线（5）都存在有效尺寸。
3.根据权利要求1所述的双极化方向回溯整流天线阵列，其特征在于，所述整流电路（2）采用差分整流电路，由整流二极管（9）、输入匹配电路（10）和直通滤波器（11）组成；所述输入匹配电路（10）连接在整流二极管（9）至直通滤波器（11）之间，用于消除整流二极管（9）的虚部达到匹配；直通滤波器（11）滤除高次谐波，其两个输出端与负载电阻（12）相连，所述输入匹配电路（10）存在有效尺寸。
4.根据权利要求1所述的双极化方向回溯整流天线阵列，其特征在于，所述层介质层（6）、中层金属地板（7）、下层介质层（8）上布有用以封装的非金属化通孔（13）。
5.根据权利要求1所述的双极化方向回溯整流天线阵列，其特征在于，所述微带馈线（5）的特性阻抗为50欧姆。
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