CN109449612A - 一种带谐波抑制的一体化整流天线 - Google Patents

一种带谐波抑制的一体化整流天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带谐波抑制的一体化整流天线，包括有一个带谐波抑制的宽频圆极化交叉偶极子天线、一个三频双支路射频整流电路，所述天线的反射面与整流微带电路共用一个金属地平面。天线部分包含有带谐波抑制的圆极化交叉偶极子天线、介质基板、同轴馈线和反射金属面。整流电路部分包含有输入端的T型功分器、输入端谐波抑制扇形、渐变线阻抗匹配网络、肖特基二极管以及输出端谐波抑制扇形等模块。整流电路以微带电路的形式，位于反射介质板的另外一面上，与天线共用一个反射地平面。含反射板的天线和微带整流电路形成一个整体，结合起来后形成了一体化的整流天线，具备独立收集电磁波，并转换成直流能量的能力。

Description

一种带谐波抑制的一体化整流天线
技术领域
本发明涉及射频电路和天线设计领域，更具体地，涉及一种带谐波抑制的一体化整流天线。
背景技术
近年来随着无线传感器网络等物联网技术的广泛应用，许多学者尝试研究不同的环境能量收集技术。其中，环境射频能量具有全天候有效，对黑夜和天气不敏感的优点，是作为能量收集的一项重要来源。在城市环境的自由空间中，存在着丰富的射频信号能量源，如2G、3G、4G、Wi-Fi以及TV信号等。这些信号能量的大部分都消散在环境中，如果把这些能量重新收集利用起来，给低功耗设备供电，将会具有广阔的应用前景。
整流天线是收集环境中微波射频能量的核心装置，其包含有天线和射频整流电路两个模块。天线用来接收环境中的微波信号能量，整流将天线接收到的微波信号转换成直流能量。天线与整流结合成一个整体，称为整流天线，其具有独立收集射频微波信号并转换成直流能量的功能。
由于射频能量分布在不同频段上，需要使整流天线工作在更宽、更多的频段，才能得到更多的直流能量。然而目前国内的研究还主要集中在单频、双频的整流天线，较少出现三频或多频的射频能量收集整流天线。此外，国内现有的整流与天线是分开的两个模块，没有进行一体化整合，需要占用较大的面积。一体化整流天线中，整流的谐波可以从天线反射出去，避免了能量损失。
发明内容
本发明克服了现有整流天线的缺陷，提供了一种新的带谐波抑制的一体化整流天线。本发明具有单独收集多个频段的无线电，并将其转化为直流电的能力。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种带谐波抑制的一体化整流天线，用于收集微波能量；包括圆极化交叉的偶极子天线和射频整流模块，所述的圆极化交叉的偶极子天线与射频整流模块电连接；且圆极化交叉的偶极子天线与射频整流模块一体化结合；所述的圆极化交叉的偶极子天线具有谐波抑制功能；所述的射频整流模块将微波能量转换为直流能量。
在一种优选的方案中，所述的圆极化交叉的偶极子天线的表面进行了特殊处理，例如将圆极化交叉的偶极子天线进行波浪形处理或者锯齿形处理或者方波形处理。
本优选方案中，特殊处理的目的在于通过增加圆极化交叉的偶极子天线内侧边缘的周长，从事实现高次谐波抑制。
在一种优选的方案中，所述的圆极化交叉的偶极子天线包括2个长度不相同的偶极子天线、第一介质基板、同轴馈线和金属反射面，其中，
所述的长度较长的偶极子天线定义为长偶极子天线；
所述的长度较短的偶极子天线定义为短偶极子天线；
所述的2个长度不相同的偶极子天线垂直交叉连接，且2个偶极子天线的中心重合；
所述的长偶极子天线和短偶极子天线分别与第一介质基板连接；
所述的同轴馈线穿过第一介质基板，且同轴馈线的一端与偶极子天线的中心连接；
所述的同轴馈线的另一端与金属反射面电连接；
所述的金属反射面设置在射频整流模块上，金属反射面的底侧与射频整流模块的顶侧连接；
所述的同轴馈线的另一端与射频整流模块的输入端电连接。
本优选方案中，金属反射面成为偶极子天线的反射面，增加了偶极子天线的增益。
在一种优选的方案中，所述的长偶极子天线包括长偶极子天线顶层和长偶极子天线底层，所述的长偶极子天线顶层是长偶极子天线的一半，所述的长偶极子天线底层是长偶极子天线的另一半；所述的短偶极子天线包括短偶极子天线顶层和短偶极子天线底层，所述的短偶极子天线顶层是短偶极子天线的一半，所述的短偶极子天线底层是短偶极子天线的另一半，其中，
所述的长偶极子天线顶层设置在第一介质基板的顶层；
所述的短偶极子天线顶层设置在第一介质基板的顶层；
所述的长偶极子天线顶层与短偶极子天线顶层相互垂直连接；
所述的长偶极子天线底层设置在第一介质基板的底层；
所述的短偶极子天线底层设置在第一介质基板的底层；
所述的长偶极子天线底层与短偶极子天线底层相互垂直连接。
在一种优选的方案中，所述的同轴馈线包括同轴馈线的外壳和同轴馈线的内芯，其中，
所述的同轴馈线的外壳的一端与长偶极子天线底层连接；
所述的同轴馈线的外壳的另一端与金属反射面连接；
所述的同轴馈线的内芯穿过第一介质基板和长偶极子天线底层，且同轴馈线的内芯的一端与长偶极子天线顶层连接；
所述的同轴馈线的内芯的另一端与射频整流模块的输入端连接。
在一种优选的方案中，所述的射频整流模块还包括第二介质基板和微带电路，其中，
所述的第二介质基板的顶侧与金属反射面的底侧连接；
所述的第二介质基板的底侧设置有微带电路，同轴馈线的另一端与微带电路的输入端电连接。
本优选方案中，射频整流模块与偶极子天线共用金属反射面，巧妙地结合在一起，成为一个整体，具有小型化、高集成度的优点。
在一种优选的方案中，微带电路包括T型功分器、第一谐波抑制扇形、负载电阻和两条整流支路，其中，
所述的两条整流支路分别定义为第一整流支路和第二整流支路，所述的第一整流支路输出正的直流电压，所述的第二整流支路输出负的直流电压；
所述的T型功分器的输入端作为射频整流模块的输入端，T型功分器的输入端与第一谐波抑制扇形输入端电连接；
所述的T型功分器的第一输出端与第一整流支路的输入端电连接；
所述的T型功分器的第二输出端与第二整流支路的输入端电连接；
所述的第一整流支路的输出端与负载电阻的一端电连接；
所述的第二整流支路的输出端与负载电阻的另一端电连接。
本优选方案中，第一谐波抑制扇形用于抑制高次谐波，防止反射回偶极子天线造成能量损失。
在一种优选的方案中，所述的第一整流支路包括第一阻抗匹配子电路、第一肖基特二极管、若干个谐波抑制扇形，其中，
所述的第一阻抗匹配子电路的输入端作为第一整流支路的输入端，第一阻抗匹配子电路的输出端与第一肖基特二极管的阳极电连接；
所述的第一肖基特二极管的阴极与谐波抑制扇形的输入端电连接；第一肖基特二极管的阴极作为第一整流支路的输出端。
本优选方案中，谐波抑制扇形用于抑制第一肖基特二极管产生的高次谐波，使输出端只有直流分量通过，从而得到干净的直流电压。
在一种优选的方案中，所述的第二整流支路包括第二阻抗匹配子电路、第二肖基特二极管、若干个谐波抑制扇形，其中，
所述的第二阻抗匹配子电路的输入端作为第二整流支路的输入端，第二阻抗匹配子电路的输出端与第二肖基特二极管的阴极电连接；
所述的第二肖基特二极管的阳极与谐波抑制扇形的输入端电连接；第二肖基特二极管的阳极作为第二整流支路的输出端。
本优选方案中，谐波抑制扇形用于抑制第二肖基特二极管产生的高次谐波，使输出端只有直流分量通过，从而得到干净的直流电压。
在一种优选的方案中，所述的第一阻抗匹配子电路包括第一渐变线、第一短路枝节、第一传输线，其中，
所述的第一渐变线的输入端作为第一阻抗匹配子电路的输入端，第一渐变线的输出端与第一短路枝节的输入端电连接；
所述的第一渐变线的输出端与第一传输线的输入端电连接，第一传输线的输出端作为第一阻抗匹配子电路的输出端。
在一种优选的方案中，所述的第二阻抗匹配子电路包括第二渐变线、第三渐变线、第二短路枝节和第二传输线，其中，
所述的第二渐变线的输入端作为第一阻抗匹配子电路的输入端，第二渐变线的输出端与第二传输线的输入端电连接；
所述的第二传输线的输出端与第二短路枝节的输入端电连接；
所述的第二传输线的输出端与第三渐变线的输入端电连接，第三渐变线的输出端作为第二阻抗匹配子电路的输出端。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
1、单独收集多个频段的射频能量，并且转换成直流能量；
2、射频整流模块与偶极子天线共用金属反射面，巧妙地结合在一起，成为一个整体，具有小型化、高集成度的优点。
附图说明
图1是实施例的斜面示意图；
图2是实施例的侧面视图；
图3是实施例的天线部分的顶面俯视图；
图4是实施例的微带电路的原理图；
图5是实施例的微带电路的版图；
图6是不带谐波抑制的天线俯视图；
图7是实施例的天线部分的测试反射系数图；
图8是实施例的天线部分的测试轴比图；
图9是实施例的整流部分的测试反射系数图；
图10是实施例的整流天线在各个频段内的RF-DC转换效率图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
一种带谐波抑制的一体化整流天线，能够收集1.83GHz、2.1GHz、2.47GHz三个频段的微波能量，并转换为直流能量。如图1和图2所示，包括圆极化交叉的偶极子天线和射频整流模块，圆极化交叉的偶极子天线与射频整流模块电连接；且圆极化交叉的偶极子天线与射频整流模块一体化结合。如图3所示，圆极化交叉的偶极子天线的内侧进行了波浪形处理，使交叉偶极子天线具有高次谐波抑制的功能。不带谐波抑制的天线如图6所示。
其中，如图1和图2所示，圆极化交叉的偶极子天线包括2个长度不相同的偶极子天线、第一介质基板9、同轴馈线和金属反射面7，其中，
长度较长的偶极子天线定义为长偶极子天线；
长度较短的偶极子天线定义为短偶极子天线；
长偶极子天线包括长偶极子天线顶层和长偶极子天线底层，长偶极子天线顶层是长偶极子天线的一半，长偶极子天线底层是长偶极子天线的另一半；短偶极子天线包括短偶极子天线顶层和短偶极子天线底层，短偶极子天线顶层是短偶极子天线的一半，短偶极子天线底层是短偶极子天线的另一半，
长偶极子天线顶层与短偶极子天线顶层相互垂直连接，组成长短偶极子天线顶层81；
长短偶极子天线顶层81设置在第一介质基板9的顶层；
长偶极子天线底层与短偶极子天线底层相互垂直连接，组成长短偶极子天线底层82；
长短偶极子天线底层82设置在第一介质基板9的底层；
同轴馈线包括同轴馈线的外壳12和同轴馈线的内芯11，同轴馈线的外壳12的一端与长短偶极子天线底层82连接；
同轴馈线的外壳12的另一端与金属反射面7连接；
同轴馈线的内芯11穿过第一介质基板9和长短偶极子天线底层82，且同轴馈线的内芯11的一端与长短偶极子天线顶层81连接；
同轴馈线的内芯11的另一端与射频整流模块的输入端连接。
其中，如图4、图5所示，射频整流模块还包括第二介质基板10和微带电路1-6，第二介质基板10的顶侧与金属反射面7的底侧连接；第二介质基板10的底侧设置有微带电路1-6，同轴馈线的内芯11的另一端与微带电路1-6的输入端电连接。
微带电路1-6包括T型功分器1、第一谐波抑制扇形2、负载电阻和两条整流支路，其中，
两条整流支路分别定义为第一整流支路和第二整流支路，第一整流支路能够实现双频整流，输出正的直流电压；第二整流支路能够实现单频整流，输出负的直流电压；负载电阻获得三个频段射频能量转换的直流能量。
T型功分器1的输入端作为射频整流模块的输入端，T型功分器1的输入端与第一谐波抑制扇形2输入端电连接；
T型功分器1的第一输出端与第一整流支路的输入端电连接；
T型功分器1的第二输出端与第二整流支路的输入端电连接；
第一整流支路的输出端与负载电阻的一端电连接；
第二整流支路的输出端与负载电阻的另一端电连接。
第一整流支路负责GSM1800和2.45GHz(WIFI)两个频段射频能量到直流的转换，包括第一阻抗匹配子电路3、第一肖基特二极管、谐波抑制扇形5，其中，
第一阻抗匹配子电路3的输入端作为第一整流支路的输入端，第一阻抗匹配子电路3的输出端与第一肖基特二极管的阳极电连接；
第一肖基特二极管的阴极与谐波抑制扇形5的输入端电连接；第一肖基特二极管的阴极作为第一整流支路的输出端；
第一阻抗匹配子电路3包括第一渐变线31-32、第一短路枝节33、第一传输线34，其中，
第一渐变线31-32的输入端作为第一阻抗匹配子电路3的输入端，第一渐变线31-32的输出端与第一短路枝节33的输入端电连接；
第一渐变线31-32的输出端与第一传输线34的输入端电连接，第一传输线34的输出端作为第一阻抗匹配子电路3的输出端。
第二整流支路负责2.13GHz(UMTS)频段射频能量到直流的转换，包括第二阻抗匹配子电路4、第二肖基特二极管、谐波抑制扇形6，其中，
第二阻抗匹配子电路4的输入端作为第二整流支路的输入端，第二阻抗匹配子电路4的输出端与第二肖基特二极管的阴极电连接；
第二肖基特二极管的阳极与谐波抑制扇形6的输入端电连接；第二肖基特二极管的阳极作为第二整流支路的输出端；
第二阻抗匹配子电路4包括第二渐变线41、第三渐变线44、第二短路枝节43和第二传输线42，其中，
第二渐变线41的输入端作为第一阻抗匹配子电路4的输入端，第二渐变线41的输出端与第二传输线42的输入端电连接；
第二传输线42的输出端与第二短路枝节43的输入端电连接；
第二传输线42的输出端与第三渐变线44的输入端电连接，第三渐变线44的输出端作为第二阻抗匹配子电路4的输出端。
本实施例的测试结果分析：
图7中列出了本实施的带谐波抑制天线的反射系数，以及不带谐波抑制的天线的反射系数。在1.7～2.7GHz范围内，反射系数S11<-10dB，表明天线具有宽频的效果，覆盖了GSM1800、UMTS、WIFI、4G的频段。比较带谐波抑制和不带谐波抑制天线的反射系数S11，可以看出在5GHz以上的频段，带谐波抑制天线的S11幅度明显较小，表明实施例在高频段具有良好的谐波抑制效果。
从图8可以看出，在2.14～2.35GHz范围内，轴比AR<3dB，表明实施例的天线具有圆极化的效果。
本实施例的射频整流模块的反射系数如图9所示，在1.83GHz、2.1GHz、2.47GHz三个频段内，射频整流模块的S11小于-10dB，表明射频整流模块具有三频的效果，能把三个频段的射频整流转换成直流能量。实施例的射频整流模块与实施例的偶极子天线结合起来后，具有将1.83GHz、2.1GHz、2.47GHz三个频段的电磁波收集起来，并转换成直流能量的能力。
本实施例的射频整流模块的RF-DC转换效率如图10所示。在0dBm输入功率条件下，射频整流模块分别在GSM1800、UMTS2100、WIFI三个频段内，都达到了超过50％的转换效率，表明了射频整流模块具有良好的三频转直流的效果。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带谐波抑制的一体化整流天线，其特征在于，所述的一体化整流天线用于收集微波能量；包括圆极化交叉的偶极子天线和射频整流模块，所述的圆极化交叉的偶极子天线与射频整流模块电连接；且圆极化交叉的偶极子天线与射频整流模块一体化结合；所述的圆极化交叉的偶极子天线具有谐波抑制功能；所述的射频整流模块将微波能量转换为直流能量。
2.根据权利要求1所述的一体化整流天线，其特征在于，所述的圆极化交叉的偶极子天线包括2个长度不相同的偶极子天线、第一介质基板、同轴馈线和金属反射面，其中，
所述的长度较长的偶极子天线定义为长偶极子天线；
所述的长度较短的偶极子天线定义为短偶极子天线；
所述的2个长度不相同的偶极子天线垂直交叉连接，且2个偶极子天线的中心重合；
所述的长偶极子天线和短偶极子天线分别与第一介质基板连接；
所述的同轴馈线穿过第一介质基板，且同轴馈线的一端与偶极子天线的中心连接；
所述的同轴馈线的另一端与金属反射面电连接；
所述的金属反射面设置在射频整流模块上，金属反射面的底侧与射频整流模块的顶侧连接；
所述的同轴馈线的另一端与射频整流模块的输入端电连接。
3.根据权利要求2所述的一体化整流天线，其特征在于，所述的长偶极子天线包括长偶极子天线顶层和长偶极子天线底层，所述的长偶极子天线顶层是长偶极子天线的一半，所述的长偶极子天线底层是长偶极子天线的另一半；所述的短偶极子天线包括短偶极子天线顶层和短偶极子天线底层，所述的短偶极子天线顶层是短偶极子天线的一半，所述的短偶极子天线底层是短偶极子天线的另一半，其中，
所述的长偶极子天线顶层设置在第一介质基板的顶层；
所述的短偶极子天线顶层设置在第一介质基板的顶层；
所述的长偶极子天线顶层与短偶极子天线顶层相互垂直连接；
所述的长偶极子天线底层设置在第一介质基板的底层；
所述的短偶极子天线底层设置在第一介质基板的底层；
所述的长偶极子天线底层与短偶极子天线底层相互垂直连接。
4.根据权利要求3所述的一体化整流天线，其特征在于，所述的同轴馈线包括同轴馈线的外壳和同轴馈线的内芯，其中，
所述的同轴馈线的外壳的一端与长偶极子天线底层连接；
所述的同轴馈线的外壳的另一端与金属反射面连接；
所述的同轴馈线的内芯穿过第一介质基板和长偶极子天线底层，且同轴馈线的内芯的一端与长偶极子天线顶层连接；
所述的同轴馈线的内芯的另一端与射频整流模块的输入端连接。
5.根据权利要求2至4中任一权利要求所述的一体化整流天线，其特征在于，所述的射频整流模块还包括第二介质基板和微带电路，其中，
所述的第二介质基板的顶侧与金属反射面的底侧连接；
所述的第二介质基板的底侧设置有微带电路，同轴馈线的另一端与微带电路的输入端电连接。
6.根据权利要求5所述的一体化整流天线，其特征在于，微带电路包括T型功分器、第一谐波抑制扇形、负载电阻和两条整流支路，其中，
所述的两条整流支路分别定义为第一整流支路和第二整流支路，所述的第一整流支路输出正的直流电压，所述的第二整流支路输出负的直流电压；
所述的T型功分器的输入端作为射频整流模块的输入端，T型功分器的输入端与第一谐波抑制扇形输入端电连接；
所述的T型功分器的第一输出端与第一整流支路的输入端电连接；
所述的T型功分器的第二输出端与第二整流支路的输入端电连接；
所述的第一整流支路的输出端与负载电阻的一端电连接；
所述的第二整流支路的输出端与负载电阻的另一端电连接。
7.根据权利要求6所述的一体化整流天线，其特征在于，所述的第一整流支路包括第一阻抗匹配子电路、第一肖基特二极管、若干个谐波抑制扇形，其中，
所述的第一阻抗匹配子电路的输入端作为第一整流支路的输入端，第一阻抗匹配子电路的输出端与第一肖基特二极管的阳极电连接；
所述的第一肖基特二极管的阴极与谐波抑制扇形的输入端电连接；第一肖基特二极管的阴极作为第一整流支路的输出端。
8.根据权利要求7所述的一体化整流天线，其特征在于，所述的第二整流支路包括第二阻抗匹配子电路、第二肖基特二极管、若干个谐波抑制扇形，其中，
所述的第二阻抗匹配子电路的输入端作为第二整流支路的输入端，第二阻抗匹配子电路的输出端与第二肖基特二极管的阴极电连接；
所述的第二肖基特二极管的阳极与谐波抑制扇形的输入端电连接；第二肖基特二极管的阳极作为第二整流支路的输出端。
9.根据权利要求7或8所述的一体化整流天线，其特征在于，所述的第一阻抗匹配子电路包括第一渐变线、第一短路枝节、第一传输线，其中，
所述的第一渐变线的输入端作为第一阻抗匹配子电路的输入端，第一渐变线的输出端与第一短路枝节的输入端电连接；
所述的第一渐变线的输出端与第一传输线的输入端电连接，第一传输线的输出端作为第一阻抗匹配子电路的输出端。
10.根据权利要求7或8所述的一体化整流天线，其特征在于，所述的第二阻抗匹配子电路包括第二渐变线、第三渐变线、第二短路枝节和第二传输线，其中，
所述的第二渐变线的输入端作为第一阻抗匹配子电路的输入端，第二渐变线的输出端与第二传输线的输入端电连接；
所述的第二传输线的输出端与第二短路枝节的输入端电连接；
所述的第二传输线的输出端与第三渐变线的输入端电连接，第三渐变线的输出端作为第二阻抗匹配子电路的输出端。
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