CN108321514A - 一种一体化、小型化同轴馈电圆极化整流天线单元设计 - Google Patents

一种一体化、小型化同轴馈电圆极化整流天线单元设计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于2.45GHz微波输电系统的一体化、小型化同轴馈电圆极化整流天线，其包括：板材、同轴圆极化微带天线、整流二极管、低通输入椭圆滤波器、输出滤波器、匹配电路；板材使用常见的FR4，大大降低了整流天线研究成本；圆极化切角同轴微带天线中心频点为2.45GHz，使用同轴馈点方式馈电，使用整流电路、匹配电路与接收天线分层设计，使用SMA接头将两层连接。低通输入椭圆滤波器使用弯曲设计，减少整流电路长度。本发明减小了整流天线的面积，提高了单位面积的微波接收功率。采用低损耗高匹配效果的匹配电路，提高整流电路效率。设计直流扩展接口，方便整流天线单元之间级联为整流天线阵列。经测试，该天线效率在负载为200Ω时最高达到75％。

Description

一种一体化、小型化同轴馈电圆极化整流天线单元设计
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种2.45GHz一体化、小型化同轴馈电圆极化整流天线。
背景技术
微波天线整流是微波输电系统中的关键部分，现仍处于实验室研究阶段。国内外现阶段基本都集中于整流天线的效率，而对于整流天线的应用关键因素考虑较少。例如整流天线的面积问题。现国内外各研究机构均未涉及到整流天线面积，其所设计的各类整流天线面积均较大，对于需要充电的设备来讲整流天线的面积越小越好。在使用单整流天线单元级联组成整流天线阵列时，面积较小的整流天线可以提高单位面积内接受的微波功率。
现阶段各研究单位所设计的微波整流天线等电路大部分使用ROGERS等系列高频板材，此类板材在国内获取途径较少且价格昂贵，其成本远远大于普通的FR4板材。
综上所述，现研究阶段2.45GHz频率的整流天线一般面积较大，不利用整流天线与设备间的安装，不利于提高单位面积内接受功率。且使用高频板材研究、制作成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种2.45GHz一体化、小型化同轴馈电圆极化整流天线，旨在解决当前2.45GHz频率的整流天线面积较大，不利用整流天线与设备间的安装，不利于提高单位面积接收功率，且使用高频板材研究、制作成本较高的问题。
本发明是这样实现的，一种2.45GHz一体化、小型化同轴馈电圆极化整流天线，总体分为2.45GHz切角圆极化矩形微带接收天线及SMA母头同轴连接器与2.45GHz的微波整流电路(包括弯曲输入低通滤波器、匹配电路、输出滤波器、整流二极管、负载)及SMA 公头同轴连接器，其连接示意图如附图1所示。
微波整流电路又包括低通输入滤波器、匹配电路、肖特基整流二极管、输出滤波器，其中输入滤波器为低通椭圆滤波器，且输入滤波器为弯曲型，弯曲的位置需要根据接收天线的尺寸来定。输出滤波器为λ/4长微带线与1nF的大电容组成，λ/4长微带线的长度在设计中会根据整流效率稍作优化。其中整流电路使用FR4板材设计。
切角圆极化同轴馈电微带天线将空间中的2.45GHz微波接收，经过同轴连接器送至整流电路，整流电路中的低通输入滤波器滤除高频杂波并传输至整流二极管，单二极管将微波变为直流并传输至输出滤波器，输出滤波器阻止基波与高次谐波仅允许直流通过。其中的匹配电路作用是将整流电路阻抗匹配至50欧姆，且在实现匹配的同时尽量减小损耗。将微波接收天线与微波整流电路进行分层设计，接收天线在上层，整流电路在下层。分层设计可以减小可视的整流天线的面积，提高单位面积接收功率，进而增加微波的接收效率。
所述2.45GHz一体化、小型化同轴馈电圆极化整流天线包括：FR4板材、SMA同轴连接器、切角圆极化同轴馈电微带天线、整流二极管、弯曲低通椭圆输入滤波器、匹配电路、输出滤波器。
进一步，所述微带天线板材使用FR4。
进一步，所述2.45GHz一体化、小型化同轴馈电圆极化整流天线采用中心频点为2.45GHz的圆极化切角矩形微带天线，使用同轴馈点方式馈电。
本发明提供的2.45GHz一体化、小型化同轴馈电圆极化整流天线，接收天线为切角圆极化同轴馈电矩形微带天线，见附图2；整流电路中特殊设计的弯曲输入滤波器的插损仅有0.6db，采用低损耗高匹配效果的匹配电路，匹配电路仅由一段弯曲微带线构成，见附图3；一般设计2.45GHz的整流天线使用板材为Rogers系列或其他高频板材，本设计使用市场常见的FR4板材。成本方面，已本次设计为例Rogers系列板材单套整流天线的成本至少 300元左右，FR4常规板材单套成本30元左右。所做对比均为小批量生产，故使用FR4板材大大降低了整流天线研究、制作成本。经测试，一体化、小型化同轴馈电圆极化整流天线的整流效率在负载为200Ω时最高达到75％。
附图说明
图1是本发明实施例提供的2.45GHz一体化、小型化同轴馈电圆极化整流天线的连接示意图。
图2是本发明实施例提供的2.45GHz一体化、小型化同轴馈电圆极化整流天线的接收天线，切角圆极化同轴馈电微带天线结构示意图。
图3是本发明实施例提供的2.45GHz一体化、小型化同轴馈电圆极化整流天线的整流电路结构示意图。
图4是本发明实施例提供的2.45GHz一体化、小型化同轴馈电圆极化整流天线的仿真结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如附图2、3所示，本发明实施例提供的2.45GHz体化、小型化同轴馈电圆极化整流天线包括：FR4板材、SMA同轴连接器、切角圆极化同轴馈电矩形微带天线、整流二极管、弯曲低通椭圆输入滤波器、匹配电路、输出滤波器、接收天线与整流电路分层设计。
在本发明的实施例中：板材使用FR4，其中成本是ROGERS系列板材的10％。使用HFSS三维天线设计软件设计中心频点为2.45GHz的圆极化矩形微带天线，使用切角方式实现天线的圆极化，仿真后确定切角尺寸为x:3.048mm,y:3.048mm，在天线对角线轴上进行对称切角。使用同轴馈点方式馈电，移动同轴馈点的位置可实现天线良好的50欧姆匹配，仿真后确定同轴馈点的位置为(x，y)＝(13.35mm,0mm)，实际测试天线参数与仿真参数基本吻合，如附图4所示。使用射频仿真软件ADS仿真肖特基整流二极管HSMS282B的大信号特性，并设计匹配电路。整流二极管后接λ/4长加大电容的输出低通滤波器，其中λ/4需要在ADS中以整流效率为优化目标进行长度优化。设计弯曲型四阶低损耗的输入低通椭圆滤波器，其中弯曲位置需要根据接收天线尺寸确定，最终确定在距离整流电路输入端子的 28.3mm处进行弯曲设计，弯曲半径为3.175mm，利用ADS进行仿真优化。设计输入滤波器与整流二极管及输出滤波器的匹配电路，使用一段线宽渐变的微带线，以尽量小的损耗实现匹配。在ADS中进行整体参数优化，以达到整流效率最优，在Altium Designer中完善PCB 板。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种2.45GHz一体化、小型化同轴馈电圆极化整流天线，其特征在于，所述2.45GHz一体化、小型化同轴馈电圆极化整流天线包括：FR4板材、切角矩形圆极化微带天线、整流二极管、低通输入滤波器、匹配电路、输出滤波器。
2.如权利要求1所述的2.45GHz一体化、小型化同轴馈电圆极化整流天线，其特征在于，所述低通输入滤波器使用弯曲设计。
3.如权利要求1所述的2.45GHz一体化、小型化同轴馈电圆极化整流天线，其特征在于，接收天线使用同轴馈电，整流电路整体尺寸小与接收天线尺寸，且整流电路与接收天线分层设计，减小整流天线的整体尺寸，增加单位面积接收微博功率。
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