CN109193148A - 一种四频段全向圆极化整流天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信技术领域，具体为一种四频段全向圆极化整流天线。该整流天线包含：全向圆极化收集天线和四频段整流电路；全向圆极化收集天线包括两块相同的介质基板、两块在周围附加了弯曲枝节的圆形贴片、贯穿介质基板连接两层圆形金属贴片的短路孔；两块介质基板叠层放置，中间隔了一层空气层；两块圆形贴片分别分布在两块介质基板的外表面，贴片的弯曲枝节的旋转方向相反，短路孔分布在圆形贴片上形成一个同心圆；四频段整流电路包括两路单二极管串联整流电路，单二极管串联整流电路包括阻抗匹配电路、单二极管串联和扇形枝节低通滤波器。本发明整流天线可以收集环境中的GSM1800，CDMA2000，TD‑LTE和WIFI（2.4 GHz）频段的能量，将其转化为直流能量用于供电。

Description

一种四频段全向圆极化整流天线
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种四频段全向圆极化整流天线。
背景技术
环境射频能量收集属于环境能量收集的一种方法，可以用于延长电池的寿命甚至可以在低功耗设计中替代电池供电。射频能量收集网络由射频能量收集器、功率管理模块和能量存储模块组成，其中最重要的是射频能量收集器，它决定了能量收集的功率和效率，目前研究最广泛的射频能量收集器是整流天线。环境中的射频能量主要分布在通信波段，如CDMA800、GSM900、GSM1800、CDMA2000和TD-LTE，以及WIFI频段，这些波段在环境中传播后经历一些反射折射会以多种极化方式存在，并且传播方向是任意的；另一个特点是环境中的射频能量密度很低，在商场的功率测量值最高仅为-30dBm。
近几年来研究者们设计了各种类型的整流天线，按照收集频段分为单频和多频以及宽频整流天线，按照天线的辐射性能分为全向和定向整流天线，按照天线可收集的电磁波的极化方式可分为线极化、双线极化、圆极化和双圆极化整流天线；按照整流电路的拓扑结构可分为单二极管串联整流电路、单二极管并联整流电路、倍压整流电路和全波整流电路等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能收集环境中的射频能量的全向圆极化整流天线。
本发明提供的全向圆极化整流天线，可覆盖四个波段GSM1800、CDMA2000、TD-LTE和WIFI，并且具有全向性和圆极化的特性，能收集到任意角度和多种极化方式的入射波，整流电路可实现四个频段的整流，并且只有一个负载，可以在整流的时候有效减少电路元器件带来的能量损耗。
本发明提供的四频段全向圆极化整流天线，其结构如图1、图2、图3、图4所示，包括天线和整流电路两个部分；天线部分包括上层圆形金属贴片1、下层圆形金属贴片2、上层弯曲枝节3、下层弯曲枝节4和上层介质基板5、下层介质基板6和金属短路孔7；整流电路部分包括上路匹配电路8、下路匹配电路9、零偏置二极管10、扇形枝节低通滤波器11、电阻负载12；其中，上层介质基板5和下层介质基板6尺寸相同，上下叠合，之间设有间隙（即空气层）；上层圆形金属贴片1与上层弯曲枝节3在上层介质基板5上侧平面，且上层弯曲枝节3共有6个，以60度的间隔均匀分布于上层圆形金属贴片1外缘；下层圆形金属贴片2和下层弯曲枝节4在下层介质基板6的下侧平面，且下层弯曲枝节4共有6个，以60度的间隔均匀分布于下层圆形金属贴片2外缘；上层圆形金属贴片1与下层圆形金属贴片2大小相同，同轴；参见图1。
每个上层弯曲枝节3包含内外两个枝节，两个枝节的朝向为逆时针方向，形状似反向F形（参见图2）；每个下层弯曲枝节4的结构尺寸相同，即也包含内外两个枝节，但两个枝节的朝向为顺时针方向，形状似正向F形（参见图3）；下层弯曲枝节4和上层弯曲枝节3在空间排布上有一定的角度间隔，使上、下层弯曲枝节的内外两个枝节部分交叉迭合；参见图1。
所述的上层圆形金属贴片1在中心处有一个圆环缝隙，用于缝隙耦合馈电；天线采用同轴馈电，SMA接头位于天线的中心，连接上下两个圆形贴片。
所述的金属短路孔7数量为若干，环绕成一个圆形，分布在圆形金属贴片上的同心圆上，穿过两层介质基板和空气层连接上下两个圆形金属贴片。例如，短路孔7数量为16个，以22.5度的间隔排列成一圆形，均匀分布圆形金属贴片上。
上下介质基板之间的空气层厚度由仿真得到，具体是为了使带宽满足要求，厚度范围为0.5-1.5 mm。
本发明中，所述的整流电路由两路组成，上路由双频阻抗匹配电路8、二极管10和低通滤波器11组成，下路由另外一个双频阻抗匹配电路9和相同的二极管10、相同的低通滤波器11组成，在最后将两路合成一路连接一个电阻负载12；电路设置在介质基板13上。
本发明中，所述的双频阻抗匹配电路由微带枝节构成，匹配电路8和匹配电路9分别对应两对不同的频段，分别是GSM1800和TD-LTE，CDMA2000和WIFI频段。
本发明中，所述的二极管10数量为2，采用的是Avago公司的零偏置二极管HSMS2850，分别以串联的形式放置在上下两路整流电路中。
本发明中，所述的低通滤波器11采用的是三个协同工作的扇形枝节，三个扇形枝节在整流电路的工作频段的基频、二次频和三次频处产生谐振，从而只允许直流通过，起到低通滤波器的功能。
本发明中，所述的介质基板5和介质基板6的尺寸相同，都采用介电常数为3.5的F4B材料，损耗正切为0.003，厚度都是2.5 mm；
所述整流电路的介质基板13采用的是介电常数为3.38的Rogers 4003。
本发明合理的设计了全向圆极化天线，使其可以在频段1.75-2.45 GHz内具有良好的全向性和圆极化性能，能够收集各个方向来的电磁波，并且可以收集垂直极化和水平极化以及左旋圆极化波；本发明合理的设计了四频段单二极管串联整流电路，可以同时将四个频段的电磁波进行整流，并且具有较好的整流效率。仿真结果表明：天线在1.75-2.45GHz频率范围内| S11| <-10 dB，天线在1.9-2.5 GHz频段内具有良好的圆极化性能即轴比小于3dB,整个工作波段内，具有良好的全向性，天线整体尺寸为174×174×6mm3 (长×宽×高)；整流电路在输入功率为-30 dBm、-20 dBm和-10 dBm时，整流电路在1.85 GHz、2.12GHz、2.34 GHz和2.45GHz附近的反射系数小于-10，在输入功率为-30 dBm时整流效率为5%，输入功率为-20 dBm时整流效率为20%，输入功率为-10 dBm时整流效率为40%，整流电路的尺寸为96×62×0.813mm3 (长×宽×高)。
本发明整流天线可以收集环境中的GSM1800，CDMA2000，TD-LTE和WIFI（2.4 GHz）频段的能量，将其转化为直流能量用于供电。
附图说明
图1为本发明四频段射频能量收集整流天线的天线整体结构示意图。
图2为本发明四频段射频能量收集整流天线的天线正面结构示意图。
图3为本发明四频段射频能量收集整流天线的天线反面结构示意图。
图4为本发明四频段射频能量收集整流天线的整流电路正面结构示意图。
图5为本发明四频段射频能量收集整流天线的天线反射系数和轴比仿真结果。
图6-图11 为本发明四频段射频能量收集整流天线的天线辐射方向图仿真结果。其中：
图6 对应于1.85 GHz-E面。
图7对应于1.85 GHz-H面。
图8对应于2.15 GHz-E面。
图9对应于2.15 GHz-H面。
图10对应于2.45 GHz-E面。
图11对应于2.45 GHz-H面。
图12为本发明四频段射频能量收集整流天线的整流电路的反射系数仿真结果。
图13为本发明四频段射频能量收集整流天线的整流电路的整流效率仿真结果。
图中标号：1为上层圆形金属贴片，2为下层圆形金属贴片，3为上层弯曲枝节，4为下层弯曲枝节，5为上层介质基板，6为下层介质基板，7为金属短路孔，8为上路匹配电路，9为下路匹配电路，10为零偏置二极管，11为扇形枝节低通滤波器，12为电阻负载，13为介质基板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：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。
如图1-4所示，本发明提供了一种新型四频段射频能量收集整流天线，用于收集GSM1800、CDMA2000、TD-LTE和WIFI频段的射频能量。整体分为两部分，圆极化收集天线和四频段整流电路，天线尺寸为174×174×6mm3（长×宽×高）,整流电路尺寸为96×62×0.813mm3 (长×宽×高)。本实施例包括：天线部分的上层圆形金属贴片1、下层圆形金属贴片2、上层弯曲枝节3、下层弯曲枝节4和上层介质基板5、下层介质基板6和金属短路孔7，以及整流电路部分的上路匹配电路8、下路匹配电路9、零偏置二极管10、扇形枝节低通滤波器11、电阻负载12和介质基板13。
如图1-3所示，本实施例所述的圆形金属贴片1和2的半径由工作频率决定; 6支上层弯曲枝节3按逆时针的旋向以等角度差60°分布在上层圆形金属贴片1的周围， 6支下层弯曲枝节4按顺时针的旋向以等角度差60°分布在下层圆形金属贴片2的周围，弯曲枝节的设计要使得枝节在相同的工作频率产生谐振并且相位与金属贴片产生的相位相差90°，来产生圆极化波。本实施例中，相交的每一对弯曲枝节3和弯曲枝节4之间的角度差为30°，可以在俯仰角70°到110°的范围内实现圆极化。上层圆形金属贴片1和弯曲枝节3刻蚀在上层介质基板5的上表面，介质基板的下表面没有金属；下层圆形金属贴片2和弯曲枝节4刻蚀在下层介质基板6的下表面，介质基板的上表面没有金属；两层介质板之间有一层厚度为1 mm的空气层。F4B介质基板介电常数为3.5，损耗正切角0.0027，厚度为2.5 mm。
如图1-3所示，所述的金属短路孔7数量为16，以等角度差22.5°环形分布在一定半径的圆上，穿过两层介质基板和空气层连接上下两层金属贴片。所述的圆形金属贴片1在中心处有一个圆环缝隙馈电来实现较宽的带宽，天线采用同轴馈电，输入阻抗为50Ω，馈电点在天线的中心位置。
如图4所示，本实施例所述的整流电路为两路并联形式，上路匹配电路8、零偏置二极管10和扇形枝节低通滤波器11用来整流GSM1800和TD-LTE，下路匹配电路9、零偏置二极管10和扇形枝节低通滤波器11用来整流CDMA2000和WIFI频段，最后两路合成在后面并联一个电阻负载。整流电路采用边缘馈电，输入阻抗为50Ω，连接到SMA接头。
如图4所示，本实施例所述的频率特性包括回波损耗参数。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表回波损耗变量。仿真结果表明本发明的超宽带全向微带天线阵列在11.8–18 GHz频率范围内，|S11|<-10 dB，相对阻抗带宽超过40%，覆盖整个Ku波段。
如图5所示，本实施例所述的全向圆极化接收天线的频率特性包括回波损耗参数和轴比。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，左纵坐标代表回波损耗变量，右纵坐标代表轴比变量。仿真结果表明本发明的全向圆极化天线在1.8-2.5 GHz频率范围内，|S11|<-10dB，在1.9-2.5 GHz频率范围内，theta在80°到100°的范围内轴比小于3 dB，在theta为70°和110°时，轴比上漂但仍能在1.95-2.4 GHz频率范围内满足小于3 dB。
如图6-图11所示，本实施例所述的全向圆极化接收天线在1.85 GHz、2.15 GHz和2.45 GHz的归一化天线辐射方向图分别如图6-图11所示，由图可见天线阵列在工作波段内可以很好地保持H面的全向辐射特性，E面辐射方向图为“8”字型，但3dB范围内的俯仰角范围很宽。
如图12所示，本实施例所述的四频段整流电路的频率特性包括回波损耗参数。其中横坐标代表频率变量，纵坐标代表回波损耗变量。仿真结果表明在输入功率分别是-30dBm和-20 dBm时，整流电路工作在1.85 GHz、2.12 GHz、2.34 GHz和2.45 GHz处，在输入功率为-10 dBm时，整流电路工作在1.89 GHz、2.15 GHz、2.35 GHz和2.48GHz处。
如图13所示，本实施例所述的四频段整流电路的整流特性为整流效率。其中横坐标代表频率变量，纵坐标代表整流效率。仿真结果表明在输入功率为-30 dBm时在目标频段的整流效率为5%，输入功率为 -20 dBm时目标频段内的整流效率为20%，输入功率为 -10dBm时在目标频段内的整流效率为40%。
本发明的技术方案不限于上述具体事实例的限制，如本发明为工作在1.8-2.45GHz的全向圆极化微带天线，改变尺寸可适用于微波波段；本发明为工作在GSM1800、CDMA2000、TD-LTE和WIFI波段的四频段整流电路，改变尺寸可使用于其他波段，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种四频段全向圆极化整流天线，其特征在于，包括：包括天线和整流电路两个部分；天线部分包括上层圆形金属贴片（1）、下层圆形金属贴片（2）、上层弯曲枝节（3）、下层弯曲枝节（4）和上层介质基板（5）、下层介质基板（6）和金属短路孔（7）；整流电路部分包括上路匹配电路（8）、下路匹配电路（9）、零偏置二极管（10）、扇形枝节低通滤波器（11）、电阻负载（12）；其中，上层介质基板（5）和下层介质基板（6）尺寸相同，上下叠合，之间设有间隙，即空气层；上层圆形金属贴片（1）与上层弯曲枝节（3）在上层介质基板（5）上侧平面，且上层弯曲枝节（3）共有6个，以60度的间隔均匀分布于上层圆形金属贴片（1）外缘；下层圆形金属贴片（2）和下层弯曲枝节（4）在下层介质基板（6）的下侧平面，且下层弯曲枝节（4）共有6个，以60度的间隔均匀分布于下层圆形金属贴片（2）外缘；上层圆形金属贴片（1）与下层圆形金属贴片（2）大小相同，同轴；
每个上层弯曲枝节（3）包含内外两个枝节，两个枝节的朝向为逆时针方向，形状似反向F形；每个下层弯曲枝节（4）与上层弯曲枝节（3）的结构尺寸相同，即也包含内外两个枝节，但两个枝节的朝向为顺时针方向，形状似正向F形；下层弯曲枝节（4）和上层弯曲枝节（3）在空间排布上有一定的角度间隔，使上、下层弯曲枝节的内外两个枝节部分交叉迭合；
所述的上层圆形金属贴片（1）在中心处有一个圆环缝隙，用于缝隙耦合馈电；
所述的金属短路孔（7）数量为若干，环绕成一个圆形，穿过两层介质基板和空气层连接上下两个圆形金属贴片。
2. 根据权利要求1所述的四频段全向圆极化整流天线，其特征在于，上下介质基板之间的空气层厚度为0.5-1.5 mm。
3.根据权利要求1所述的四频段全向圆极化整流天线，其特征在于，所述的整流电路由两路组成，上路由双频阻抗匹配电路（8）、二极管（10）和低通滤波器（11）组成，下路由另一个双频阻抗匹配电路（9）和相同的二极管（10）、相同的低通滤波器（11）组成，在最后将两路合成一路连接一个电阻负载（12）；电路设置在介质基板（13）上。
4.根据权利要求3所述的四频段全向圆极化整流天线，其特征在于，所述的双频阻抗匹配电路由微带枝节构成，匹配电路（8）和另一个匹配电路（9）另一个分别对应2对不同的频段：GSM1800和TD-LTE，CDMA2000和WIFI频段。
5.根据权利要求3所述的四频段全向圆极化整流天线，其特征在于，所述的二极管（10）数量为2，分别以串联的形式放置在上下两路整流电路中。
6.根据权利要求3所述的四频段全向圆极化整流天线，其特征在于，所述的低通滤波器（11）采用三个协同工作的扇形枝节，三个扇形枝节在整流电路的工作频段的基频、二次频和三次频处产生谐振，从而只允许直流通过，起到低通滤波器的功能。
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