CN109378572A - 一种基于短路针结构的双极化整流天线 - Google Patents

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谭洪舟
周永坤
路崇
张全琪
吴宙真
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Abstract

本发明公开了一种基于短路针结构的双极化整流天线，包括接收天线和整流电路，接收天线的输出端与整流电路的输入端电连接，所述接收天线为微带天线，包括辐射贴片、基板、地平面和同轴馈电导体针，所述辐射贴片设在基板上方，地平面设置在基板的底面，同轴馈电导体针的一端与辐射贴片连接，同轴馈电导体针的另一端穿过基板后与地平面连接，辐射贴片的边缘放置有金属的短路针，所述短路针的一端与辐射贴片连接，所述短路针的另一端穿过基板后与地平面连接。本发明在低输入功率情况下，可以保持射频接收天线的高增益、整流器的高输出电压以及接收射频能量的多方向。

Description

一种基于短路针结构的双极化整流天线
技术领域
本发明涉及，特别地，涉及一种基于短路针结构的双极化整流天线。
背景技术
微波无线能量传输(MPT:Microwave Power Transmission)在自由度、空间自由度、架设物理成本等方面有明显的优势。MPT系统的关键部分是能量接收系统，其包含了射频接收天线(Receiving Antenna)与射频整流电路(Rectifying Circuit)两个部分，故又称整流天线(Rectenna)。整流天线的能量接收效率(Power Conversion Efficiency，PCE)直接影响到整个能量传输系统的工作性能，是整流天线的重要指标。传统的射频接收天线具有增益低、带宽窄、辐射效率低等缺陷，使得其在诸多的应用场合中受到限制。尤其在某些通信系统的接收端，天线被要求在更窄的方向内具更高的有效接收能量，传统天线在这个场合受到一定的限制。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种在低输入功率情况下，保持射频接收天线的高增益、整流器的高输出电压以及接收射频能量的方向性的基于短路针结构的双极化整流天线。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于短路针结构的双极化整流天线，包括接收天线和整流电路，接收天线的输出端与整流电路的输入端电连接，所述接收天线为微带天线，包括辐射贴片、基板、地平面和同轴馈电导体针，所述辐射贴片设在基板上方，地平面设置在基板的底面，同轴馈电导体针的一端与辐射贴片连接，同轴馈电导体针的另一端穿过基板后与地平面连接，辐射贴片的边缘放置有金属的短路针，所述短路针的一端与辐射贴片连接，所述短路针的另一端穿过基板后与地平面连接。
优选地，所述整流电路采用二倍压结构，使输出电压增大为二倍。
优选地，所述二倍压结构包括阻抗匹配、隔直电容、二极管、直通滤波器和负载电阻。倍压整流结构需要加入隔直电容以及多个肖特基二极管。在一般的双管倍压电路中，隔直电容可以起到存储电荷的作用，使得输出电压实现二倍压。在合并两个整流器支路实现双极化整流器时，由于双极化整流器的两个输入端口通过辐射贴片电气连接，因此隔直电容还能提供隔直功能，使得负载两端可以输出直流电压。直通滤波器简单高效，方便消除干扰，负载电阻保护负载正常运行。
优选地，所述短路针均匀的分布在贴片边缘，更好的改变天线的电流分布，使其辐射的能量更集中、方向性更好、交叉极化更低、增益增强。
优选地，所述接收天线与整流电路的连接结构为双层结构，两层板平行放置，上层基板的上侧蚀刻了引入短路针的圆形微带贴片，下侧蚀刻了地平面，下层基板的上侧为地平面，下侧为应用于双极化整流天线的整流电路，两根导体探针分别穿过上层基板介质，地平面以及下层基板介质，连接接收天线的输出端与整流电路的输入端。
本发明的有益效果：
由上述方案可知，通过引入所述的均匀放置在贴片边缘的一组短路针，可以改变天线的电流分布，使其辐射的能量更集中、方向性更好、交叉极化更低、增益增强。其次，所述的均匀放置在贴片边缘的一组短路针，通过引入额外的电感，使得天线在高于原谐振频率的位置达到阻抗匹配，可以根据加入短路针后的谐振频率与原谐振频率的比例将微带天线的贴片和底面放大，可以得到具有相同结构的、尺寸较大、而增益也较大增强的基于短路针的增益增强贴片天线，而且双极化的天线还可以接收更多方向的能量。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明基于短路针的双极化天线结构俯视图；
图2是本发明基于短路针的双极化天线结构主视图；
图3是本发明双极化天线谐振频率与短路针到贴片圆心的距离/贴片半径曲线图；
图4是本发明双极化天线谐振频率与短路针个数曲线图；
图5是本发明双极化天线最大增益与短路针到贴片圆心的距离/贴片半径曲线图；
图6是本发明低输入功率密度的高输出电压双极化整流天线结构图；
图7是本发明双极化整流天线性能与入射偏转角曲线图。
图中标号：1-辐射贴片，2-基板，3-地平面，4-同轴馈电导体针，5-短路针。
具体实施方式
参照图1至图7，一种基于短路针结构的双极化整流天线，包括接收天线和整流电路，接收天线的输出端与整流电路的输入端电连接，所述接收天线为微带天线，包括辐射贴片1、基板2、地平面3和同轴馈电导体针4，所述辐射贴片1设在基板2上方，地平面3设置在基板2的底面，同轴馈电导体针4的一端与辐射贴片1连接，同轴馈电导体针4的另一端穿过基板2后与地平面3连接，辐射贴片1的边缘放置有金属的短路针5，所述短路针5的一端与辐射贴片1连接，所述短路针5的另一端穿过基板2后与地平面3连接。
在普通微带贴片天线的基础上，在贴片的外围均匀地放置一组金属针，金属针将贴片和地面连接起来，实现贴片和地平面之间的短路，因此称为短路针5。
所述整流电路采用二倍压结构，使输出电压增大为二倍。
所述二倍压结构包括阻抗匹配、隔直电容、二极管、直通滤波器和负载电阻。倍压整流结构需要加入隔直电容以及多个肖特基二极管。在一般的双管倍压电路中，隔直电容可以起到存储电荷的作用，使得输出电压实现二倍压。在合并两个整流器支路实现双极化整流器时，由于双极化整流器的两个输入端口通过辐射贴片电气连接，因此隔直电容还能提供隔直功能，使得负载两端可以输出直流电压。直通滤波器简单高效，方便消除干扰，负载电阻保护负载正常运行。
所述短路针5均匀的分布在辐射贴片1边缘，更好的改变天线的电流分布，使其辐射的能量更集中、方向性更好、交叉极化更低、增益增强。
所述接收天线与整流电路的连接结构为双层结构，两层板平行放置，上层板的上侧蚀刻了引入短路针5的圆形微带贴片，下侧蚀刻了地平面3，下层板的上侧为地平面3，下侧为应用于双极化整流天线的整流电路，两根导体探针分别穿过上层板介质，地平面3以及下层板介质，连接接收天线的输出端与整流电路的输入端。
首先，通过引入所述的均匀放置在贴片边缘的一组短路针5，可以改变天线的电流分布，使其辐射的能量更集中、方向性更好、交叉极化更低、增益增强。其次，所述的均匀放置在贴片边缘的一组短路针，通过引入额外的电感，使得天线在高于原谐振频率的位置达到阻抗匹配，提高了贴片天线的谐振频率。此时，在拥有相同结构的情况下，可以根据加入短路针后的谐振频率与原谐振频率的比例将微带天线的贴片和地面放大，可以得到具有相同结构的、尺寸较大、而增益也较大增强的基于短路针的增益增强贴片天线。增强的增益与加入短路针后的谐振频率的增加成正比，并且，提高的频率大小与所述的额外引入的电感成正比。
通过研究发现，引进短路针能带来的额外电感与短路针放置的位置有关，在圆形贴片天线中，当短路针到贴片圆心的距离与贴片半径之比T为适当范围时，引入的额外的电感量达到峰值，此时谐振频率可以达到最大，而通过调整贴片尺寸、且不改变贴片和地面比例而将谐振频率调整回所需谐振频率后，有效辐射面积增大，此时的天线增益也是最高的。如图3，当引入两根短路针均匀放置在圆形贴片周围时，当T为适当范围时，其谐振频率最高。
并且，引入的针的个数越多，引入的额外电感也越多，所能提高的谐振频率也越大，通过其改变贴片天线的电流分布，天线的辐射更加集中，而增强的增益也越大。但短路针个数应保持在一定的范围内，不能无限增大。如图4所示，随着短路针个数的增加，对象的谐振频率也跟着增大，直到短路针个数达到一定大时，谐振频率开始下降。因此图5中，引入不同短路针个数的贴片天线在拥有相同的谐振频率时，其最大增益与短路针的根数成正比，直到短路针个数增加到一直数额时，增益不再增大。上述方案中，贴片作为辐射单元，微波能量由同轴馈电导体针激励辐射单元，然后通过短路针在贴片中引进额外的电感，改变了天线的电流分布和辐射特性，将微波能量高效、集中地辐射到自由空间中。
进一步地，考察双极化整流天线接收不同入射偏转角时的能力，图7显示了当整流天线面上的功率密度为53.5μW/cm2时调整整流天线的角度，实测整流天线的输出电压与整流效率结果。在功率密度为53.5μW/cm2时，该双极化整流天线可以接收不同偏转角度的极化射频能量，并且可以保持3.254V以上的直流电压输出以及35％以上的整流效率。
以上所述只是本发明的较佳实施方式，但本发明并不限于上述实施例，只要其以任何相同或相似手段达到本发明的技术效果，都应落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于短路针结构的双极化整流天线，包括接收天线和整流电路，接收天线的输出端与整流电路的输入端电连接，其特征在于：所述接收天线为微带天线，包括辐射贴片、基板、地平面和同轴馈电导体针，所述辐射贴片设在基板上方，地平面设置在基板的底面，同轴馈电导体针的一端与辐射贴片连接，同轴馈电导体针的另一端穿过基板后与地平面连接，辐射贴片的边缘放置有金属的短路针，所述短路针的一端与辐射贴片连接，所述短路针的另一端穿过基板后与地平面连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于短路针结构的双极化整流天线，其特征在于：所述整流电路采用二倍压结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于短路针结构的双极化整流天线，其特征在于：所述二倍压结构包括阻抗匹配、隔直电容、二极管、直通滤波器和负载电阻。
4.根据权利要求1所述的一种基于短路针结构的双极化整流天线，其特征在于：所述短路针均匀的分布在贴片边缘。
5.根据权利要求1所述的一种基于短路针结构的双极化整流天线，其特征在于：所述接收天线与整流电路的连接结构为双层结构，两层板平行放置，上层基板的上侧蚀刻了引入短路针的圆形微带贴片，下侧蚀刻了地平面，下层基板的上侧为地平面，下侧为应用于双极化整流天线的整流电路，两根导体探针分别穿过上层基板介质，地平面以及下层基板介质，连接接收天线的输出端与整流电路的输入端。
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