CN109004767B - 一种无线微波取能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线微波取能系统，包括发射设备、接收整流天线和负载，发射设备包括信号源、功率放大器和发射天线，接收整流天线包括正面介质基板、金属地板和背面介质基板，金属地板设置在正面介质基板与背面介质基板之间，正面介质基板与金属地板之间以及金属地板与背面介质基板之间均采用无缝隙层叠方式设置在一起；正面介质基板的正面设置有辐射贴片，金属地板设置有一个镂空的缝隙，背面介质基板设置有接地通孔，其背面设置有馈线和整流电路，辐射贴片设置有一个镂空的缝隙，辐射贴片通过该缝隙及金属地板的缝隙与馈线进行耦合；整流电路包括阻抗匹配枝节、整流二极管和直通滤波器，不包括低通滤波器。该系统整体体积小，整流结构简单。

Description

一种无线微波取能系统

技术领域

本发明涉及无线能量传输领域，尤其涉及一种无线微波取能系统。

背景技术

电磁波是能量的一种表现形式，当电磁波用于通信时伴随着能量传输——无线能量传输。煤炭、石油等传统化石能源支撑着人类工业的发展，但是伴随着高污染对环境不友好。太阳能作为一种取之不尽的清洁能源，设想在外太空建立太阳能电站，将能量通过激光或微波的形式传送给地面接收设备，这就是著名的太阳能卫星计划。除此之外还可以用微波能量驱动直升机、为高海拔通信平台供能、驱动管道机器人、向卫星和轨道上的运载工具供电、向较为偏远的地区功能等。二十世纪九十年代以来，随着科技的不断发展进步，各种电子器件体积越来越小，受到电池体积和寿命的限制，无线能量传输技术可以弥补其不足。无线输能技术经过不断的技术积累，其技术理论正在不断成熟。

现阶段按接收距离划分无线输能主要有三种技术方式，一、近距离电磁耦合式，主要在1厘米以内，通过电感耦合理论实现非接触式能量传输，结构简单，整体效率高70％以上。二、磁耦合谐振式，主要在1米以内，通过近场耦合共振原理实现两个线圈的谐振实现能量传输，可以绕过障碍物，安全性好辐射小，整体效率也较高40％，属于中距离能量传输。三、微波无线输能，通过电磁波空间传输理论，可以达到米级以上远距离和千米以上超远距离的能量传输，但是整体效率不高，有待提高。

中国专利CN205622331U公开了一种磁电耦合无线输能线圈系统，两个线圈之间距离会在厘米级别。中国专利CN207282710U公开了一种紧凑型中高功率接收模块，正常来说二极管有导通阈值，因此中高功率的整流输入可以让二极管顺利进入非线性区域，往高功率优化会相对容易，往低功率优化提高整流效率就会更加困难。中国专利CN206041660U公开了一种杂波接收设备，其中接收模块尺寸为7cm平方，因此整体尺寸过大，不利于小型传感器的使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种无线微波取能系统，其中的接收整流天线采用天线和电路分层设计的结构使整体体积大幅度减小。

本发明提供的一种无线微波取能系统，包括发射设备、接收整流天线和负载，所述发射设备包括信号源、功率放大器和发射天线，所述接收整流天线包括正面介质基板、金属地板和背面介质基板，所述金属地板设置在正面介质基板与背面介质基板之间，所述正面介质基板与金属地板之间以及金属地板与背面介质基板之间均采用无缝隙层叠方式设置在一起；所述正面介质基板的正面设置有辐射贴片，所述金属地板设置有一个镂空的缝隙，所述背面介质基板设置有接地通孔，其背面设置有馈线和整流电路，其中：

所述辐射贴片设置有一个镂空的缝隙，辐射贴片通过该缝隙及金属地板的缝隙与馈线进行耦合；

所述整流电路包括阻抗匹配枝节、整流二极管和直通滤波器，不包括低通滤波器。

进一步，所述整流二极管为肖特基二极管，且并联在整流电路中。

进一步，所述辐射贴片呈圆形。

进一步，辐射贴片和金属地板的缝隙为大小相同的矩形，其长度为16mm，宽度为1mm。

进一步，辐射贴片和金属地板的缝隙均设置在其各自的中心位置。

进一步，辐射贴片和金属地板的缝隙的位置正对，且与馈线成45度。

进一步，两介质基板的介电常数为3.55。

进一步，辐射贴片的半径为1.7cm，两介质基板的尺寸均为4cm²。

与现有技术相比，本发明通过辐射贴片的缝隙实现谐波抑制的功能，在整流电路中去掉低通滤波器达到精简尺寸结构目的，该系统整体积小，整流结构简单、面向低功率物联网优化，有利于集成，对使用无线取能解决小型物联网不间断供能问题有实际意义。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明实施例的系统架构框图；

图2为本发明实施例的正面介质基板示意图；

图3为本发明实施例的金属地板示意图；

图4为本发明实施例的背面介质基板示意图；

图5为本发明具体实施例的系统架构框图。

图中标记：1-正面介质基板；2-金属地板；3-背面介质基板；11-辐射贴片；12-辐射贴片的缝隙；21-金属地板的缝隙；31-接地通孔；32-馈线；33-阻抗匹配枝节；34-整流二极管；35-直通滤波器。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，本发明的无线微波取能系统包括发射设备、接收整流天线和负载，所述发射设备包括信号源、功率放大器和发射天线，所述接收整流天线包括接收天线和整流电路。本发明的接收整流天线采用天线和电路分层设计的结构，其具体结构如图2-4所示，包括正面介质基板1、金属地板2和背面介质基板3，金属地板2设置在正面介质基板1与背面介质基板3之间，正面介质基板1与金属地板2之间以及金属地板2与背面介质基板3之间均采用无缝隙层叠方式设置在一起。这种天线和电路分层设计结构，针对传感器的小体积需求，使整体体积大幅度减小。

正面介质基板1的正面设置有辐射贴片11，辐射贴片11设置有一个镂空的缝隙12，辐射贴片11通过该缝隙12及金属地板的缝隙21与馈线32进行耦合，这种结构有强烈的谐波抑制能力，相当于点频的带通滤波器，因此在整流电路中可以去掉低通滤波器。在一些实施例中，可选用圆形的辐射贴片，天线圆形贴片也有一定的抑制高次谐波能力。

金属地板2设置有一个镂空的缝隙21，金属地板的缝隙可以实现天线的耦合过层功能，同时也具有谐波抑制功能，加强去掉低通滤波器后抑制高次谐波耗散的性能。

背面介质基板3设置有接地通孔31，其背面设置有馈线32和整流电路，整流电路包括阻抗匹配枝节33、整流二极管34、直通滤波器35和负载(图中未示出)，不包括低通滤波器，整流二极管34并联在整流电路中。在一些实施例中，针对传感器低功率优化设计，整流二极管34可采用低功率肖特基二极管，该类型二极管有内阻和容值小的特点，在低功率输入的时候，依然可以获得40-50％的整流效率。

本发明中的馈线和辐射贴片分离，加工过后通过切除长度可以实现小范围的频率调节和阻抗匹配功能，有利于一体成型后的调节。而辐射贴片和馈线要实现耦合效果，金属地板的缝隙尺寸和辐射贴片的缝隙尺寸要配合起来，首先，要让耦合可以耦合的过去，不然有可能负方向辐射或者侧面辐射，其次，要满足信号源的频率，金属地板的缝隙和辐射贴片的缝隙要配合调整，才可以让谐振点达到目的。在本发明的一个具体实施例中，辐射贴片和金属地板的缝隙为大小相同的矩形，其长度为16mm，宽度为1mm。优选地，辐射贴片和金属地板的缝隙均设置在其各自的中心位置。优选地，辐射贴片和金属地板的缝隙的位置正对，且与馈线成45度。

针对传感器使用的小型化需求，在一些实施例中，选用介电常数为3.55的介质基板，可将辐射贴片减小到半径1.7cm，介质基板尺寸减小到4cm²。

本发明在整流电路中去除了低通滤波器，去除低通滤波器的整流电路结构简单，降低了设计难度和传输损耗，可以在小面积的范围内摆放下整流电路。

下面结合一个具体实施例对本发明进行说明，如图5所示。发射采用现有的2.4G的正弦波信号源，添加功率放大器将信号提高到1瓦的发射信号输入到15db的发射天线辐射到空气中，2米的距离接收天线使用3.55介电常数R4003基板，比使用低一点介电常数基板的尺寸会略小一点，增益减少在可接受范围为4.8db。中间的缝隙可以实现耦合过层的作用，同时贴片挖槽和地板挖槽可以实现谐波抑制的功能，为电路节省低通滤波器的使用。天线耦合馈线经调整长度可以和辐射贴片在2.4G处S11低于-30db，阻抗匹配枝节是为了调整整体电路阻抗值到50欧，但是由于二极管在不同功率输入下是不同的阻抗值，因此往0dbm输入附近进行阻抗匹配优化。直通滤波器是1/4λ(λ为波长)长度的微带线，阻挡射频信号进入负载，高次谐波反射后，还可以进行多次整流提高整体整流效率，同时导通直流电流到负载的作用。

本系统用1瓦功率发射2.4GHz的微波信号，在2米的距离获得1毫瓦的功率。与同类型的微波输能接收装置对比，发射功率满足电磁辐射标准，接收模块在2.4GHz频率采用特殊结构将整体小型化到4cm²；通过辐射贴片的缝隙实现谐波抑制的功能，在整流电路中去掉低通滤波器达到精简尺寸结构目的；使用满足低功率整流的二极管，在低功率输入的情况下40％以上的整流效率。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种无线微波取能系统，包括发射设备、接收整流天线和负载，其特征在于，所述发射设备包括信号源、功率放大器和发射天线，所述接收整流天线包括正面介质基板、金属地板和背面介质基板，所述金属地板设置在正面介质基板与背面介质基板之间，所述正面介质基板与金属地板之间以及金属地板与背面介质基板之间均采用无缝隙层叠方式设置在一起；所述正面介质基板的正面设置有辐射贴片，所述金属地板设置有一个镂空的缝隙，所述背面介质基板设置有接地通孔，其背面设置有馈线和整流电路，其中：

所述辐射贴片设置有一个镂空的缝隙，所述辐射贴片通过该缝隙及金属地板的缝隙与馈线进行耦合，所述辐射贴片呈圆形；所述整流电路包括阻抗匹配枝节、整流二极管和直通滤波器，不包括低通滤波器；所述整流二极管为肖特基二极管，且并联在整流电路中。

2.根据权利要求1所述的一种无线微波取能系统，其特征在于，辐射贴片和金属地板的缝隙为大小相同的矩形，其长度为16mm，宽度为1mm。

3.根据权利要求1所述的一种无线微波取能系统，其特征在于，辐射贴片和金属地板的缝隙均设置在其各自的中心位置。

4.根据权利要求2所述的一种无线微波取能系统，其特征在于，辐射贴片和金属地板的缝隙的位置正对，且与馈线成45度。

5.根据权利要求1所述的一种无线微波取能系统，其特征在于，两介质基板的介电常数为3.55。

6.根据权利要求5所述的一种无线微波取能系统，其特征在于，辐射贴片的半径为1.7cm，两介质基板的尺寸均为4cm²。