CN110289488A - 一种多极化双通道通信/整流多功能天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多极化双通道通信/整流多功能天线,属于微波输能整流天线技术领域。本发明包括多极化接收天线、整流电路和通信电路,通过引入正交混合耦合器,两个通信/整流端口实现了高隔离工作,且两个端口可向圆环辐射贴片提供输出相位差为90°,幅度相同的信号,使天线可实现圆极化工作。整流电路为低输入功率整流电路,可与任意一个端口相连接,用于微波输能;而另一个端口可接通信电路,用于接收发射通信信号。由于耦合器的高度对称性,通信/整流多功能天线可工作于多个模式,即整流天线/通信天线可单独圆极化工作或整流和通信天线可同时线极化工作。本发明可在同一频段内同时/分别整流、通信工作,并工作于不同极化模式。
Description
技术领域
本发明属于微波输能技术领域,涉及通信整流天线,具体涉及一种多极化双通道通信/整流多功能天线。
背景技术
随着移动通信技术的快速发展,现代信息时代的人们无时无刻都在进行无线通信。这些无线移动设备在进行通信工作的同时也会持续消耗电能。通常,大量便携式的无线电子设备使用电池来提供持续的电能供应。然而,某些设备在一些特殊的情况下无法更换电池或提供持续的电能,比如:隧道机器人、植入式医疗设备等。这些无线设备不仅需要与外界保持正常信息交换工作,同时它们所携带的电池也需要定期的补充电能。因此延长电池寿命或为设备进行无线输能,是为这些设备提供持续电能的有效途径。
微波输能技术,利用微波进行无线能量传输技术,可实现能量的远距离传输。而整流天线,即天线结合整流电路为一体,它能够接收空间中的电磁波并将其转换成直流能量,是微波输能系统的重要器件之一。其中,天线是进行无线通信和微波输能必不可少的器件。如果单独设计整流天线和通信天线,将使移动设备的接收系统变得庞大、复杂。并且,天线间的耦合将会使两个天线的性能下降,影响系统性能。因此,有必要将通信天线和整流天线融为一体,即通信整流天线,将设备的通信功能和微波输能用一种天线来实现,将大大减小系统的尺寸和重量,给人们的生活和工作带来极大的方便,将成为微波输能新的发展方向。
目前通信整流天线的研究还处于起步阶段,一些公开报道的研究成果如下。R.Dehbashi,K.Forooraghi,and Z.Atlasbaf在文献“Dual-Fed Antenna for WirelessPower Transmission and Data Communication”公开了一种双端口通信整流多功能天线,结构如图1所示。此多功能天线的一个端口用于通信,另一个端口用于微波输能,且天线的两个端口都工作在同一频率2.4GHz。但是,此天线隔离度很低,两个端口无法同时良好地工作。为了减小通信和整流功能间的相互干扰,往往通信整流天线工作在不同的频率。X.Yang,C.Jiang等在文献“A Novel Compact Printed Rectenna for DataCommunication Systems.”中提出了一种双端口通信整流天线,如图2所示,包含一个高隔离的双端口接收天线,一个端口接整流电路,另一个端口用于通信。该接收天线为缝隙耦合馈电,采用两个相互垂直的H型缝隙提高了两个端口的隔离度,使整流和通信可以很好地工作。但此通信整流天线需要两个不同频率的信号,一个用于通信(6.1GHz),另一个用于充电(5.78GHz)。若当某个环境只存在单一频率电磁信号时,此类通信整流天线将不能同时发挥通信和整流功能。并且,此天线工作极化单一,天线结构复杂。为了实现同一频率下良好地通信和输能工作,文献“A Two-Channel Frequency Reconfigurable Rectenna forMicrowave Power Transmission and Data Communication”公开了一种频率可重构的双通道通信整流天线,如图3所示。由于缺陷地结构,通信整流天线的两个端口之间具有很高的隔离度。通过控制PIN开关的状态,天线可在同一频段或不同频段内实现通信和整流工作。但是,该天线工作极化单一,且可重构枝节上的PIN二极管开关会带来额外的损耗,降低天线效率。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷,提供一种多极化双通道通信/整流多功能天线。本发明中,通过引入正交混合耦合器,两个通信/整流端口实现了高隔离工作,可分别或同时接整流或通信电路。并且,由于正交混合耦合器具有高度的对称性,两个端口可向圆环辐射贴片提供输出相位差为90°,幅度相同的信号,使天线可实现左右圆极化工作,或只有一个端口向辐射贴片提供信号,使天线实现线极化工作。所以,本发明提出的多极化双端口通信整流天线具有两种模式,即通信模式和整流模式,可以同时工作在线极化,也可分别工作在圆极化。并且,该天线在不同的工作状态中两种模式之间都具有很高的隔离度。
本发明所提出的技术问题是这样解决的:
一种多极化双通道通信/整流多功能天线,包括多极化接收天线1、整流电路5和通信电路11;
多极化接收天线1包括圆环辐射贴片2、正交混合耦合器3馈电网络、第一介质基板401和第一金属地;圆环辐射贴片2和正交混合耦合器3馈电网络位于第一介质基板401的上表面,第一金属地位于第一介质基板401的下表面;正交混合耦合器3馈电网络有四个端口,分别为端口1、端口2、端口3和端口4;端口3和端口4与圆环辐射贴片2连接。
端口1和端口2有四种连接状态:端口1连接整流电路5或通信电路11,端口2连接50欧匹配负载,端口3和端口4输出的信号等幅,且有90°相位差;端口2连接整流电路5或通信电路11,端口1连接50欧匹配负载,端口3和端口4输出的信号等幅,且有-90°相位差;端口1连接整流电路5,端口2连接通信电路11,只有一个端口(端口3或端口4)输出信号;端口1连接通信电路11,端口2连接整流电路5,只有一个端口(端口3或端口4)输出信号;当端口1和端口2同时接整流电路5和通信电路11时,根据线极化的方向,决定端口由端口3或端口4输出;
整流电路5将射频信号整流为直流信号;。
通信电路11由微带电路、集成电路形式等组成的滤波器,低噪声放大器,混频器解调器或调制器共同构成,用于信号的传输或发送。
多极化接收天线1和整流电路5通过一对同轴转接头进行连接,第一介质基板与第二介质基板选材相同或不同。
正交混合耦合器3可以是任意对称微带结构;
更具体的,正交混合耦合器3包括倒日字型微带枝节和四个短枝节;倒日字型微带枝节的四端分别与四个短枝节串联,形成正交混合耦合器3的四个端口。
整流电路5可以是低功率整流电路拓扑结构或高功率整流电路拓扑结构;
更具体的,整流电路5包括第二介质基板402、第二金属地、前置电感6、整流二极管7、匹配电路8、旁路电容9和负载10;前置电感6、整流二极管7、匹配电路8、旁路电容9和负载10位于第二介质基板402的上表面,第二金属地位于第二介质基板402的下表面;前置电感6、整流二极管7、匹配电路8和负载10依次串联,旁路电容9并联至匹配电路8和负载10之间;整流电路中的前置电感6和旁路电容9协同工作,滤除整流二极管7非线性工作所引入的高次谐波,平整输出波形;整流电路中的整流二极管7将射频能量整流转换到直流能量;所述整流电路中的匹配电路8实现接收天线和整流电路之间的良好匹配,实现高效率整流转换。
本发明中,倒日型分支线正交混合耦合器3有四个端口,分别为端口1、端口2、端口3和端口4。所有端口都是匹配的,从端口1输入的功率对等地分配给端口3和端口4,且端口3和端口4作为输出端口之间有90°相移,为圆环辐射天线提供等幅和±90°相位差,从而使圆环天线实现右左圆极化;并且,当端口1馈入能量时,没有功率耦合到端口2,实现两个输入端口之间的高隔离。
分支线正交混合耦合器3有高度的对称性,任意端口(端口1,端口2,端口3和端口4)都可作为输入端口,端口1和端口2有四种连接状态。端口1连接整流电路5或通信电路11,端口2连接匹配负载,此时端口3和端口4作为输出端口为圆环辐射天线提供等幅和90°相移的信号,此时通信/整流多功能天线工作到右圆极化;同样,端口2连接整流电路5或通信电路11,端口1连接匹配负载,此时端口3和端口4作为输出端口为圆环辐射天线提供等幅和-90°相移的信号,此时通信/整流多功能天线工作到左圆极化。端口1连接整流电路5,端口2连接通信电路11,或者端口1连接通信电路11,端口2连接整流电路5,此时只有一个端口(端口3或端口4)输出信号,此时通信/整流多功能天线实现线极化工作模式。然而,端口3或端口4输出信号,取决于接收线极化方向。
本发明的有益效果是:
本发明所述天线采用引入正交混合耦合器,利用分支线正交混合耦合器的高度对称性,接收天线可以实现多种极化模式工作:圆极化和线极化。同时,在多极化双通道通信/整流多功能天线中,通信电路和整流电路可与任一端口连接,分别或同时用于微波输能和通信信号传输。由于耦合器的高隔离度,通信/整流多功能天线可单独圆极化工作,或同时实现线极化工作。本发明所述天线具有多功能、多极化,多模式的特点,应用范围更广泛。
附图说明
图1为背景技术一中的应用于通信系统中的双端口整流天线结构图,其中,(a)双端口接收天线,(b)整流电路结构示意图;
图2为背景技术二中的应用于通信系统中的双端口整流天线结构图,其中,(a)双端口高隔离接收天线结构图,(b)整流电路结构示意图;
图3为背景技术中三可重构的双通道通信整流天线结构示意图,其中,(a)双端口频率可重构偶极子天线结构示意图,(b)整流电路结构示意图;
图4为本发明所述多极化双通道通信/整流多功能天线的结构示意图;
图5为实施例正交混合耦合器端口S参数曲线图和相位曲线,其中,(a)S参数幅度;(b)S参数相位;
图6为实施例所述多极化双通道通信/整流多功能天线的S参数和轴比曲线图,其中,(a)状态1:一个端口连接通信或整流电路;(b)状态2:两个端口同时连接通信和整流电路;
图7为实施例整流电路在工作频率5.8GHz下的整流转换效率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种多极化双通道通信/整流多功能天线,包括多极化接收天线1、整流电路5和通信电路11;
多极化接收天线1包括圆环辐射贴片2、正交混合耦合器3馈电网络、第一介质基板401和第一金属地;圆环辐射贴片2和正交混合耦合器3馈电网络位于第一介质基板401的上表面,第一金属地位于第一介质基板401的下表面;正交混合耦合器3包括倒日字型微带枝节和四个短枝节;倒日字型微带枝节的四端分别与四个短枝节串联,形成正交混合耦合器3的四个端口,分别为端口1、端口2、端口3和端口4;端口3和端口4与圆环辐射贴片2连接;
端口1和端口2有四种连接状态:端口1连接整流电路5或通信电路11,端口2连接50欧匹配负载,端口3和端口4输出的信号等幅,且有90°相位差;端口2连接整流电路5或通信电路11,端口1连接50欧匹配负载,端口3和端口4输出的信号等幅,且有-90°相位差;端口1连接整流电路5,端口2连接通信电路11,只有一个端口(端口3或端口4)输出信号;端口1连接通信电路11,端口2连接整流电路5,只有一个端口(端口3或端口4)输出信号;当端口1和端口2同时接整流电路5和通信电路11时,根据线极化的方向,决定端口由端口3或端口4输出。
整流电路5将射频信号整流为直流信号;整流电路5包括第二介质基板402、第二金属地、前置电感6、整流二极管7、匹配电路8、旁路电容9和负载10;前置电感6、整流二极管7、匹配电路8、旁路电容9和负载10位于第二介质基板402的上表面,第二金属地位于第二介质基板402的下表面;前置电感6、整流二极管7、匹配电路8和负载10依次串联,旁路电容9并联至匹配电路8和负载10之间;整流电路中的前置电感6和旁路电容9协同工作,滤除整流二极管7非线性工作所引入的高次谐波,平整输出波形;整流电路中的整流二极管7将射频能量整流转换到直流能量;所述整流电路中的匹配电路8实现接收天线和整流电路之间的良好匹配,实现高效率整流转换;
通信电路11由微带电路、集成电路形式等组成的滤波器,低噪声放大器,混频器解调器或调制器共同构成,用于信号的传输或发送。
多极化接收天线1和整流电路5通过转接头进行连接,第一介质基板与第二介质基板选材相同或不同。
本实施例所述天线的具体尺寸为:r1=12.5mm,l1=56.2mm,l2=23.4mm,l3=12.4mm,l4=7.8mm。
本实施例中,多极化接收天线由倒日字型的正交混合耦合器馈电。倒日字型的正交混合耦合器馈电有四个端口,其中两个端口(端口3和端口4)连接圆环辐射贴片,另外两个端口(端口1和端口2)分别通过50Ohm转接头与整流电路和通信电路连接,用于输能和通信。该正交混合耦合器端口1与其他端口的S参数,如图5所示,可见,在5.5GHz~6.2GHz频段内S11=-38.4dB,S13=-3.3dB,S14=-3.3dB@5.8GHz,且S13和S14的相位相差90°@5.8GHz,表明端口1的电磁波可以很好地通过端口1,等幅地传输到端口3和端口4中,且相位相差90°,将馈入圆环贴片中。S12=-34.21@5.8GHz,表明端口1和端口2之间具有较高地隔离。由于正交混合耦合器具有高度的对称性,输入、输出信号过程可逆。同理,可类推到其他端口。
由于正交混合耦合器具有高度的对称性,端口1和端口2有四种连接状态,使天线在5.5GHz~6.2GHz频段内可以分别工作在两种不同的极化,而将这两种工作极化对应的状态称为状态1和状态2。
状态1:端口1连接整流电路5或通信电路11,端口2连接50欧匹配负载,或者,端口2连接整流电路5或通信电路11,端口1连接50欧匹配负载;此时,正交混合耦合器的端口3和端口4输出等幅,相位相差+(-)90°的信号,此时天线在5.7~5.9GHz实现右(左)圆极化工作。此天线在状态1的S参数和轴比如图6(a)所示,可以看到,端口1或2接收信号时天线的公共频段是5.7~5.9GHz,实现圆极化工作(轴比AR<3),且两个端口1和2具有高隔离度(S12<-15dB)。由于正交混合耦合器具有高度的对称性,可以发现,端口1和端口2的S参数基本重合。在此频段,该通信整流天线能够进行通信或输能,且接收天线接收到的射频能量全部输入到整流电路中。
状态2:端口1连接整流电路5,端口2连接通信电路11,或者,端口1连接通信电路11,端口2连接整流电路5;此时,正交混合耦合器的一个端口(端口3或端口4)输出信号到圆环贴片天线中去,此时天线同样在5.7~5.9GHz实现线极化工作。此天线在状态1的S参数和轴比如图6(b)所示,可以看到,端口1和端口2接收信号时天线的公共频段是5.7~5.9GHz,两个端口实现线极化工作(轴比AR>3),且两个端口1和2具有高隔离度(S12<-15dB)。在此频段,该通信整流天线能够同时进行通信和输能,且接收天线接收到的射频能量1:1的均分到整流电路和通信电路中。
对于本实施例中的多极化双通道通信/整流多功能天线,采用HFSS和ADS进行了联合仿真。根据端口1和2的连接状态,接收天线可接收自由空间中不同极化的电磁波,并将接收到的电磁波分别传送到通信端口(端口1(2))和整流端口(端口2(1))。进入端口2(1)的电磁波将经由同轴接头馈入到后端的低功率整流电路中,经过前置电感、整流二极管后转换成直流,再经过旁路电容进行滤波整形,最后输出到负载端。由于接收天线在两种状态下的工作频率都在5.7~5.9GHz频段,因此,设计的低功率整流电路也工作在5.7~5.9GHz频段。此低功率整流电路在输入功率在-5~5dBm范围内,频率为5.8GHz的整流转换效率曲线,如图7所示。可以看到,在频率为5.8GHz、输入功率为4dBm时,整流电路能达到最高转换效率为51.3%,此时所接的负载为100Ohm。
通过采用正交混合耦合器馈电,通信整流天线可实现多极化模式,即圆极化、线极化模式。由于正交混合耦合器具有高度的对称性,本实施例中的双通道通信/整流多功能天线具有灵活,结构简单的优点,并且具有多功能、多极化,多模式特性。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式。本说明书中所公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换;所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以任何方式组合。
Claims (5)
1.一种多极化双通道通信/整流多功能天线,其特征在于,包括多极化接收天线(1)、整流电路(5)和通信电路(11);
多极化接收天线(1)包括圆环辐射贴片(2)、正交混合耦合器(3)馈电网络、第一介质基板(401)和第一金属地;圆环辐射贴片(2)和正交混合耦合器(3)馈电网络位于第一介质基板(401)的上表面,第一金属地位于第一介质基板(401)的下表面;正交混合耦合器(3)馈电网络有四个端口,分别为端口1、端口2、端口3和端口4;端口3和端口4与圆环辐射贴片(2)连接;
端口1和端口2有四种连接状态:端口1连接整流电路(5)或通信电路(11),端口2连接50欧匹配负载,端口3和端口4输出的信号等幅,且有90°相位差;端口2连接整流电路(5)或通信电路(11),端口1连接50欧匹配负载,端口3和端口4输出的信号等幅,且有-90°相位差;端口1连接整流电路(5),端口2连接通信电路(11),端口3或端口4输出信号;端口1连接通信电路(11),端口2连接整流电路(5),端口3或端口4输出信号;
整流电路(5),将射频信号整流为直流信号;
通信电路(11),用于信号的传输或发送。
2.根据权利要求1所述的多极化双通道通信/整流多功能天线,其特征在于,多极化接收天线(1)和整流电路(5)通过一对同轴转接头进行连接。
3.根据权利要求1所述的多极化双通道通信/整流多功能天线,其特征在于,第一介质基板与第二介质基板选材相同或不同。
4.根据权利要求1所述的多极化双通道通信/整流多功能天线,其特征在于,正交混合耦合器(3)包括倒日字型微带枝节和四个短枝节;倒日字型微带枝节的四端分别与四个短枝节串联,形成正交混合耦合器(3)的四个端口。
5.根据权利要求1所述的多极化双通道通信/整流多功能天线,其特征在于,整流电路(5)包括第二介质基板(402)、第二金属地、前置电感(6)、整流二极管(7)、匹配电路(8)、旁路电容(9)和负载(10);前置电感(6)、整流二极管(7)、匹配电路(8)、旁路电容(9)和负载(10)位于第二介质基板(402)的上表面,第二金属地位于第二介质基板(402)的下表面;前置电感(6)、整流二极管(7)、匹配电路(8)和负载(10)依次串联,旁路电容(9)并联至匹配电路(8)和负载(10)之间;整流电路中的前置电感(6)和旁路电容(9)协同工作,滤除整流二极管(7)非线性工作所引入的高次谐波,平整输出波形;整流电路中的整流二极管(7)将射频能量整流转换到直流能量;所述整流电路中的匹配电路(8)实现接收天线和整流电路之间的良好匹配,实现高效率整流转换。
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