CN109687152B - 一种微波整流天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波整流天线，包括引向振子，以及与引向振子相匹配的天线，天线接收的微波能量进入差分带通滤波器，差分带通滤波器输出至整流桥，经整流桥整流后输出直流电。本发明抑制所接收微波信号中的共模信号，降低了二极管整流桥对输入信号峰值电压的要求，在较小的信号输入条件下实现微波能量到直流能量的转换。而共模信号在每一路电路中，当与差模信号形成相位差的时候，会对差分的信号幅值造成一定的影响，进而会影响二极管两端的电压降是否能够满足二极管是否导通，所以滤除共模信号以消除对差模信号的影响。

Description

一种微波整流天线
技术领域
本发明涉及一种微波整流天线，属于微波天线领域。
背景技术
能源是人类发展中最重要的一种资源，无论什么科技的应用都需要能源的支撑。从最初的热能到现在的电能，风能等的不断发展，人们为了生存和发展也在不断地寻找和利用清洁能源技术。而随着科技的发展，无线网络传感技术已经渗透到人类生产和生活的方方面面，而且，越来越多的小型、便携式移动电子设备和无线传感器网络节点在工业生产和日常生活中的广泛应用，越来需要新的供电方式。
1891年，尼古拉特斯拉提出了微波输能的概念，在20世纪60年代由于大功率微波源的逐渐形成和微波整流二极管性能的提高，使得接收整流天线的效率得以保证。整流天线是微波输能系统的接收模块，通过接收天线接收空间中的微波能量并将微波能量转化为直流能量。自Brown提出整流天线的概念并在1963年完成史上第一个整流天线后，随着无线能量在应用上的需求，人们开始大量研究整流天线的及整流电路。1970年无线输电的先驱Brown W.C.以铝条做半波耦合极子和传输线，采用肖特基势垒二极管和桥式整流方式，在频率为2.45GHz时，获得了76％的整流效率。1975年加州理工学院JPL在野外完成的微波无线输电系统中，传输距离为1.54km，采用了总共270个铝条振子半波整流天线阵列，整流天线系统总体转换效率超过了80％，获得了超过30kW的直流输出电能。由于铝条整流天线接收功率大、质量大，为了减轻重量与节约金属材料，从20世纪80年代开始，印刷电路接收整流天线成为研究的重点。美国德州农工大学的K.Chang教授课题组在2000～2006期间，在圆极化天线方面也做了很多工作，他们设计的去切角微带方形贴片天线单元，最大能量转换效率为60％；采用后向辐射技术设计了2x2和4x4两种整流天线阵列，当输入功率为10mW时，两种天线阵列的RF-DC转换效率分为73.3％和55％。香港城市大学的薛泉教授课题组在2005年提出基于一种新型的共面谐振单元设计的一款工作在5.8GHz的整流天线，当负载阻抗为270欧姆，输入功率为62.5mW时，其RF-DC能量转换效率可以达到68.5％。2015年，国内成都电子科技大学王秉中教授课题组设计并制作了一款工作双频段的整流天线，其采用可重构技术，使得天线可以在5.2GHz和5.8GHz两个频段切换，与之对应的整流电路也可以在这两个频段之间切换，测试显示，该天线在输入功率为31mW/cm2时，两个频点处的RF-DC效率分别为65.2％和64.8％。
但是，就目前检索来看，基于差分结构的整流天线的实现方式还是比较单一，主要采用的还是单个二极管电路，采用整流桥的结构并未发现有类似本专利的技术的应用和公开。
发明内容
发明目的：本发明提出一种微波整流天线，抑制所接收微波信号中的共模信号。
技术方案：本发明采用的技术方案为一种微波整流天线，包括引向振子，以及与引向振子相匹配的天线，天线接收的微波能量进入差分带通滤波器，差分带通滤波器输出至整流桥，经整流桥整流后输出直流电。
所述天线为偶极子天线，包括上下两个天线臂和馈线结构。
每个天线臂的长度0.558λeff,宽度为0.027λeff，两个天线臂中间的缝隙宽度为0.041λeff，其中
Figure BDA0001900983760000021
λ0为自由空间的波长，εe为微带线的等效介电常数。
所述引向振子共有5个，与天线臂的长度方向平行，并关于天线臂之间的缝隙对称排列。
每个引向振子的宽度为0.061λeff，长度为0.586λeff，相邻引向振子间距0.122λeff，其中
Figure BDA0001900983760000022
λ0为自由空间的波长，εe为微带线的等效介电常数。
所述差分带通滤波器包括两根横向微带线和三根纵向微带线。
其中两根长度0.516λeff且宽度0.014λeff的纵向微带线分别位于横向微带线的两端，而另一根长度0.516λeff且宽度0.037λeff的纵向微带线位于横向微带线的中间位置并将两根横向微带线连接起来，其中
Figure BDA0001900983760000023
λ0为自由空间的波长，εe为微带线的等效介电常数。
所述横向微带线的宽度为0.011λeff，长度为0.357λeff。
有益效果：本发明抑制所接收微波信号中的共模信号，降低了二极管整流桥对输入信号峰值电压的要求，在较小的信号输入条件下实现微波能量到直流能量的转换。而共模信号在每一路电路中，当与差模信号形成相位差的时候，会对差分的信号幅值造成一定的影响，进而会影响二极管两端的电压降是否能够满足二极管是否导通，所以滤除共模信号以消除对差模信号的影响。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明的等效电路图；
图3为本发明俯视图；
图4为本发明截面放大图；
图5为本发明的截面图；
图6为微波整流天线整流效率的频率响应图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
微波输能系统主要包括发射和接收系统，其中整流天线是接收系统的重要组成部分，整流天线接收空间中的微波能量并由整流电路转换成直流电。
如图1所示，本实施例提出一种基于差分电路的共面带线微波整流天线，依次包括引向振子、偶极子天线、差分带通滤波器和整流桥，整流桥输出端接入负载。在微波集成电路中，本实施例微波整流天线由位于介质基板12上的共面带线或微带线制作而成。介质基板12选用Arlon AD1000材质，介电常数10.2，厚度0.635mm。
为了提高天线的接收效率，在天线前端增加了5个引向振子，且每个引向振子的宽度为0.061λeff，长度为0.586λeff，相邻引向振子间距0.122λeff。引向振子为无源振子，它将微波能量集中到偶极子天线的端向，然后由偶极子天线接收微波能量。偶极子天线包括上下两个天线臂3和馈线结构4，其中每个天线臂的长度0.558λeff,宽度为0.027λeff，两个天线臂3中间的缝隙宽度为0.041λeff。引向振子与天线臂的长度方向平行，并关于天线臂之间的缝隙对称排列。
偶极子天线输出的是差分信号，该差分信号接入差分带通滤波器，差分带通滤波器抑制差分信号中的共模信号。如图3所示，差分带通滤波器包括横向微带线5和纵向微带线8，其中两根横向微带线5的宽度为0.011λeff，长度为0.357λeff；纵向微带线8有三根，其中两根长度0.516λeff且宽度0.014λeff的纵向微带线分别位于横向微带线5的两端，且相邻纵向微带线之间的距离为0.14λeff。另一根长度0.516λeff且宽度0.037λeff的纵向微带线位于横向微带线5的中间位置并将两根横向微带线5连接起来。差分带通滤波器的输出端通过焊盘10接入整流桥，为了便于焊盘10与差分带通滤波器的连接，对连接处微带线11进行了弯折。所述整流桥为二极管整流桥。差分带通滤波器抑制共模信号的同时也使得差分信号很好地通过。二极管整流桥中的二极管只有处于导通状态时才能实现整流功能，二极管的导通电压通常需要比较高的功率才能实现，而本实施例采用的差分带通滤波器抑制了共模信号，降低了二极管的导通电压。
如图4和图5所示，为介质基板12下方连接有接地面13，接地面13的长度为1.01λeff,宽度为1.8λeff,介质基板12的宽度同样为1.8λeff,长度为2.9λeff，其中
Figure BDA0001900983760000041
λ0为自由空间的波长，εe为微带线的等效介电常数。
图6给出本实施例微波整流天线整流效率的频率响应图，从仿真结果可以看出在中心频率处的整流效率为72.3％，在2.25～2.75GHz的范围内整流效率都可以达到百分之六十以上的整流效率。

Claims (7)

1.一种微波整流天线，包括引向振子，以及与引向振子相匹配的天线，其特征在于：天线接收的微波能量进入差分带通滤波器，差分带通滤波器输出至整流桥，经整流桥整流后输出直流电，所述差分带通滤波器包括两根横向微带线(5)和三根纵向微带线(8)。
2.根据权利要求1所述的微波整流天线，其特征在于：所述天线为偶极子天线，包括上下两个天线臂(3)和馈线结构(4)。
3.根据权利要求2所述的微波整流天线，其特征在于：每个天线臂的长度0.558λeff,宽度为0.027λeff，两个天线臂中间的缝隙宽度为0.041λeff，其中
Figure FDA0002467475840000011
λ0为自由空间的波长，εe为微带线的等效介电常数。
4.根据权利要求1所述的微波整流天线，其特征在于：所述引向振子共有5个，与天线臂的长度方向平行，并关于天线臂之间的缝隙对称排列。
5.根据权利要求4所述的微波整流天线，其特征在于：每个引向振子的宽度为0.061λeff，长度为0.586λeff，相邻引向振子间距0.122λeff，其中
Figure FDA0002467475840000012
λ0为自由空间的波长，εe为微带线的等效介电常数。
6.根据权利要求1所述的微波整流天线，其特征在于：其中两根长度0.516λeff且宽度0.014λeff的纵向微带线分别位于横向微带线的两端，而另一根长度0.516λeff且宽度0.037λeff的纵向微带线位于横向微带线的中间位置并将两根横向微带线连接起来，其中
Figure FDA0002467475840000013
λ0为自由空间的波长，εe为微带线的等效介电常数。
7.根据权利要求6所述的微波整流天线，其特征在于：所述横向微带线(5)的宽度为0.011λeff，长度为0.357λeff。
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Assignee: NANJING UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS INSTITUTE AT NANTONG Co.,Ltd.

Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

Contract record no.: X2020980006914

Denomination of invention: A microwave rectification antenna

Granted publication date: 20200811

License type: Common License

Record date: 20201021

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EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20190426

Assignee: NANJING ORIENT INFORMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

Contract record no.: X2020980007078

Denomination of invention: A microwave rectification antenna

Granted publication date: 20200811

License type: Common License

Record date: 20201026