CN110112546A - 一种2450MHz接收整流阵列天线 - Google Patents

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张朔烨
赵鑫
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Abstract

本发明公开了一种2450MHz接收整流阵列天线。该天线是由4个圆极化微带贴片天线单元，在馈电网络的作用下形成一个1×4的阵列天线，其中馈电网络有一个输出端口与SMA母头焊接；微波整流电路有一个SMA公头可以接到接收阵列天线，本发明中的整流电路由低通滤波器,输入、输出阻抗匹配网络,微波二极管,直通滤波器组成，提高了整流效率。将接收天线和整流电路制作在不同介质基片上，方便后期将接收阵列天线自由组合成天线阵列，适用于接收大功率场合；同时通过计算接收阵列天线输出电流，灵活使用整流电路的个数，减少因为整流二极管带来的功率损耗。

Description

一种2450MHz接收整流阵列天线
技术领域
本发明涉及微波输能技术领域的一种接收转换装置，可接收自由空间中固定频率的微波能量并转换成直流电。
背景技术
地球上资源的快速消耗以及短时间不可再生，使得人们将焦点从地球转向了太空，即人们希望将空间太阳能电站的电能输送到地面，传统的有线输电方式显然是不切实际的，唯一合理的方式就是使用无线输电技术(WPT)。无线输电技术领域已经成为科学界内一个深入研究的课题，它已经在各种领域找到了广泛的应用，如无线充电电动车，无线供应到消化道内窥镜系统，普遍充电电子传感器，供电植入医疗器械等。所以为了保证能源的持续性和特殊场合的方便，电能的无线传输就成了很重要的研究课题。
19世纪末，尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)将能量在两点之间传递的自由描述为“超越一切的重要性”，而不需要与电源进行物理连接。一个真正的无线设备，能够远程供电，不仅允许明显的行动自由，而且通过去除必要的大容量电池来使设备更加紧凑。1964年在雷神公司斯宾塞实验室举行的全国电视直播微波动力直升机展示是这些早期努力的结果，并广泛向科学和工程界以及公众介绍了无线电力传输的概念。1995年，京都大学的Naoki Shinohara和Matsumoto教授进行了对地的微波输能实验，发射天线直径为3m的抛物反射面天线，接收整流阵列为256个子阵列，二者相距42m。1999年-2000年，NASA开展了SSP探索性研究和技术(SERT)计划，该计划开展初步战略技术研究和开发。2002年，在美国华盛顿州工作的James O.McSpadden通过对微波无线输电技术的研究并取得了相当大的进展。2016年，美国三菱电气研究实验室的Bingnan Wang和其同事从数学公式和室内环境实验的角度对MPT系统进行了研究。
发明内容
本发明公开了一种2450MHz接收整流阵列天线。该天线是由4个圆极化微带贴片天线单元，在馈电网络的作用下形成一个1×4的阵列天线；整流电路由低通滤波器,输入、输出阻抗匹配网络,微波二极管,直通滤波器组成，提高了整流效率。将接收天线和整流电路制作在不同介质基片上，方便后期将接收阵列天线自由组合成天线阵列，适用于接收大功率场合；同时通过计算接收阵列天线输出电流，灵活使用整流电路的个数，减少因为整流二极管带来的功率损耗。
2450MHz接收整流阵列天线，其特征在于：接收阵列天线、微波整流电路。以上模块都是以FR4作为介质基板，然后双面敷铜，一面设计天线和整流电路，另一面作为接地面。
接收天线采用圆极化微带贴片天线；为了提高天线的增益，设计成1×4阵列天线，微带天线单元之间通过设计的馈电网络完成阻抗匹配。
微波整流电路是由输入低通滤波器、系统匹配、微波二极管、输出滤波器组成并集成在介质基板上，通过SMA接头置于天线的背面。
接收整流阵列天线是由整流电路和接收天线组成，其中整流电路板垂直天线接地板。
低/带通滤波器其作用是只允许基频通过,抑制高次谐波，防止二极管产的高频分量被接收天线辐射而造成能量的损失。在具体设计整流电路时，可以使接收天线具有谐波抑制功能,或者通过输入、输出阻抗匹配网络对高次谐波的失配，从而省略低/带通潓波器。输入、输出阻抗匹配网络是实现微波二极管对输入基频微波的阻抗匹配，输出阻抗匹配网络只出现于二极管并联拓扑结构型整流电路。微波二极管作为整流电路的核心器件,将徽波能量转换为直流电能。二极管所在高效整流时工作于非线性区域，对非线性器件的等效电路参数的准确提取很重要，是设计高整流效率的基础。直通滤波器有两个作用，其一，平滑输出直流；其二，将基频和高次谐反射回二极管再次整流，以提高微波-直流(MW-DC)转换效率。
本发明主要有以下显著优点：
第一：结构简单，接收天线与整流电路之间组合自由。
第二：接收天线是圆极化天线，所以无论收信天线的极化方向如何，感应出的信号都是相同的，不会有什么差别。
第三：接收天线是阵列天线，所以其相对于天线单元也提高了增益。
附图说明
图1是2450MHz接收整流阵列天线的电路连接图。
图2是圆极化微带天线单元。
图3是阵列天线与功分馈电网络图。
图4是整流电路可扩展输入接口示意图。
具体实施方式
以下步骤说明将会结合附图进行详细说明。
如图1所示，本发明的2450MHz接收整流阵列天线由以下几个部分组成：接收天线，功分馈电网络，输入滤波器，系统匹配，微波二极管，输出滤波器，电阻。以上模块都是在FR4介质基板上集合完成的。
如图2所示的接收天线采用的是圆极化微带阵列天线，圆极化波是通过单点馈电实现的，并通过线性1×4实现阵列天线。
图3中设计的功分馈电网络通过1/4波长阻抗变换来实现，即使用公式来完成计算，其输出端焊接SMA母头。
输入低通滤波器输入端焊接的是SMA公头，本发明采用的输入滤波器是6阶巴特沃兹低通原型，其实际作用是只允许基频通过,抑制高次谐波，防止二极管产的高频分量被接收天线辐射而造成能量的损失。
系统匹配是调整负载功率和抑制信号反射，其最直接的目的就是为了让整流电路输出端的负载上能够得到最大的功率。
本发明使用的微波二极管是HSMS2820肖特基二极管，因为它有着较低的门限电压，它可以将频率为2450MHz的交流信号转换成直流信号。
本发明采用的输出滤波器结构是1/4波长的微带线与电容并联，完全能够起到平滑的输出直流、滤除基波和高次谐波的作用。
如图4所示利用SMA接头，将整流电路模块垂直放到接收阵列天线的背面，该结构避免了整流电路带来的辐射影响。
电阻作为接收整列阵列天线的负载，可以测量电阻两端获得的功率。然后计算天线接收整流的转换效率。
采用本发明中的2450MHz接收整流阵列天线，在负载电阻为50Ω同时接收天线距离微波发射端为0.5m时，其能量转换效率可以达到73％。

Claims (4)

1.2450MHz接收整流阵列天线，其特征在于：接收阵列天线是设计成1×4线阵列天线并通过功分馈电网络实现端口输出，其微波整流电路是由输入低通滤波器、系统阻抗匹配、微波二极管、输出滤波器组成并集成在介质基板上；以上模块都是以FR4作为介质基板，然后双面敷铜，一面设计天线和整流电路，另一面作为接地面；最后将整流电路板垂直置于接收天线的接地板。
2.根据权利要求1所述的接收阵列天线，其特征在于，接收天线采用圆极化微带贴片天线；为了提高天线的增益，设计成1×4阵列天线，微带天线单元之间通过计算并仿真出一个精确的功分馈电网络，从而实现了阻抗匹配。
3.根据权利要求1所述的微波整流电路，其特征在于设计的整流电路输入接口具有可扩展性，灵活了整流电路连接接收天线的个数，在一定程度上降低了整流模块带来的损耗。
4.根据权利要求1所述的接收整流阵列天线，其特征在于这种垂直组合结构可以完全避免整流电路带来的寄生辐射问题。
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