CN109193143A - 一种低功率微波接收整流天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低功率微波接收整流天线，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、直通滤波器和负载，不包括低通滤波器。本发明的整流天线体积小，结构简单。

Description

一种低功率微波接收整流天线
技术领域
本发明涉及无线能量传输领域，尤其涉及一种低功率微波接收整流天线。
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。
接收整流天线是微波无线输能系统的关键技术之一，为了适应电子设备小型化和便携式的需求，需要整流天线体积小、重量轻。中国专利CN206022611U公开了一种采用天线和整流电路共面设计的整流天线，采用了圆形阵列方式提高接收面积，但是平面内只有天线面积是接收部分，其中的整流电路占用面积部分接收不到微波，浪费接收面积；且由于耦合效应，共面的电路微带线和天线部分之间难免产生互耦影响。中国专利CN207282710U公开了一种紧凑型中高功率整流天线，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。
由于整流电路会产生高次谐波，第一个器件使用低通滤波器去阻挡高次谐波反向传输到天线耗散到空间。目前制作的针对传感器无线供电的整流天线的整流电路通常都使用了低通滤波器的结构，使得体积过大，难以在小面积内摆放完整流电路，滤波器本身也需要做阻抗匹配和单独设计滤波性能，增加设计的复杂度，且超高频的时候每增加一端微带线，必然会带来能力的损耗。
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，本发明提出了一种传感器低功率微波接收整流天线，采用天线和电路分层设计的结构使整体体积大幅度减小。
本发明提供的一种低功率微波接收整流天线，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、直通滤波器和负载，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，该整流天线体积小，结构简单、面向低功率传感器优化，有利于集成，对解决无线传感器不间断供能问题具有实际意义。
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为本发明实施例的正面介质基板示意图；
图2为本发明实施例的金属地板示意图；
图3为本发明实施例的背面介质基板示意图。
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1-3所示，本发明的整流天线包括正面介质基板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。
在一个具体实施例中，在2.4GHz采用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。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。
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 (8)

1.一种低功率微波接收整流天线，其特征在于，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、直通滤波器和负载，不包括低通滤波器。
2.根据权利要求1所述的一种低功率微波接收整流天线，其特征在于，所述整流二极管为肖特基二极管，且并联在整流电路中。
3.根据权利要求1所述的一种低功率微波接收整流天线，其特征在于，所述辐射贴片呈圆形。
4.根据权利要求1所述的一种低功率微波接收整流天线，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。
5.根据权利要求1所述的一种低功率微波接收整流天线，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。
6.根据权利要求4所述的一种低功率微波接收整流天线，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。
7.根据权利要求3所述的一种低功率微波接收整流天线，其特征在于，两介质基板的介电常数为3.55。
8.根据权利要求7所述的一种低功率微波接收整流天线，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。
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