CN110444910A - 一种正六边形结构的2.45GHz微带整流天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种正六边形结构的2.45GHz微带整流天线，属于无线能量传输领域。该天线包括正六边形微带天线、SMA母头、SMA公头、输入低通滤波器、匹配电路、整流二极管Ⅰ、整流二极管Ⅱ、扇形直通滤波器和负载；所述接收天线和输入低通滤波器的输入端通过SMA头连接，输入低通滤波器的输出端和匹配电路的输入端连接，匹配电路和整流二极管Ⅱ的输出端与整流二极管Ⅰ的输入端连接，整流二极管Ⅰ的输出端和扇形直通滤波器的输入端进行连接，整流二极管Ⅱ的输入端接地，扇形直通滤波器的输出端和负载连接。本发明所述整流天线既能提高整流效果，也能降低制造成本。

Description

一种正六边形结构的2.45GHz微带整流天线
技术领域
本发明属于无线能量传输领域，涉及一种2.45GHz微带整流天线。
背景技术
近年来，微波无线输电是各行业的研究热点，利用整流天线进行无线能量传输(WPT)和无线能量采集(WEH)正在成为一种新兴的技术。整流天线具有高效性，高增益的特点。然而，由于系统的非线性，性能优良(如转换效率高、非线性效应降低)的2.45GHz整流天线的优化设计仍然具有挑战性。
传统的整流天线的结构(如附图1所示)，主要由接收天线，输入低通滤波器(LPF)，匹配电路，整流二极管，四分之一波长微带线和并联电容构成的直通滤波器以及负载所构成。例如915MHz/2.45GHz的整流天线，常见的整流天线具有如下缺点：(1)用于这种配置的电路组件的数量通常非常大，并且设计的结构相当复杂。(2)由于制造工艺和结构的复杂性，使得整流天线成本很高。又如F类整流天线，常见结构具有的缺点有：(1)由于级联电路元件数量较多，导致整个匹配网络的损耗相当高。因此，用这种方法很难实现覆盖不同频段的高效率整流天线。(2)整流产生的高阶谐波信号无法有效抑制，可能会降低整流天线的转换效率。
综上所述，传统的整流天线，输入低通滤波器(LPF)部分主要具有带内损耗较大，存在寄生通带以及阻带比较窄等缺点；二极管部分主要采用的是单管串联模式，其整流效率不高；直通滤波器部分主要采用的是四分之一波长微带线加一个电容所构成的直通滤波器，主要有产生寄生效应和高频电容价格相对昂贵的缺点。
基于现有微带整流天线的缺陷，目前亟需一种成本低且传输效果好的整流天线。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种正六边形结构的2.45GHz微带整流天线，用于降低制作成本，同时提升传输效果。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种正六边形结构的2.45GHz微带整流天线，包括接收天线(1)、SMA母头(2)、SMA公头(3)和整流电路(4)；所述整流电路(4)包括输入低通滤波器(LPF)、匹配电路、整流二极管Ⅰ、整流二极管Ⅱ、扇形直通滤波器和负载；
所述接收天线(1)和输入低通滤波器(LPF)的输入端通过SMA头连接，输入低通滤波器(LPF)的输出端和匹配电路的输入端连接，匹配电路和整流二极管Ⅱ的输出端与整流二极管Ⅰ的输入端连接，整流二极管Ⅰ的输出端和扇形直通滤波器的输入端进行连接，整流二极管Ⅱ的输入端接地，扇形直通滤波器的输出端和负载连接；
所述接收天线(1)：用于收集空间中的微波，并将其转换为导行波的形式在传输线上进行传播；
所述输入低通滤波器(LPF)：用于滤除高频杂波并传输至整流二极管；
所述匹配电路：一方面是对接收天线和低通输入滤波器的阻抗进行匹配；另一方面是对整流二极管进行匹配；减少驻波，使信号在传输中损耗减少，且有助于提升整流电路的效率；
所述整流二极管Ⅰ：允许直流通过，阻止基频和高次谐波等射频能量进入负载，为负载提供稳定的直流输入；所述整流二极管Ⅱ：将射频能量返回整流二极管Ⅰ中再次整流；
所述扇形直通滤波器：用于滤除奇次谐波，二阶和三阶谐波。
进一步，所述接收天线(1)是正六边形微带天线，正六边形微带天线上的SMA母头(2)与SMA公头(3)连接。
进一步，所述正六边形微带天线工作在2.45GHz频段。
进一步，所述输入低通滤波器(LPF)包括两个叉指电路(5)和koch分形的微带低通滤波器(6)；所述两个叉指电路通过微带线分别连接在koch分形的微带低通滤波器两端。
进一步，所述扇形直通滤波器通过调节扇形枝节的半径r1，r2和角度1，角度2达到对基频以及二次谐波的抑制。
进一步，输入低通滤波器和直通滤波器采用的介质材料为FR4。
进一步，整流二极管I和整流二极管II均为HSMS286C。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的整流二极管部分，采用单管串并联的模式，提升了整流电路的转换效率。
(2)本发明的输入低通滤波器部分，首先对的高低阻抗线低通滤波器进行koch分形，降低滤波器的插损。其次，分别在该滤波器的输入和输出端加入了两个叉指电路，拓宽滤波器的阻带。
(3)本发明的直通滤波器部分，采用的具有扇形枝节结构的直通滤波器，成本更低且对一阶和二阶谐波能起到很好的抑制。
(4)本发明的整流电路部分，没有过孔，寄生参数小。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为传统整流天线的结构图；
图2为本发明所述整流天线的结构图；
图3为本发明所述正六边形微带天线结构图；
图4为本发明所述输入低通滤波器结构图；
图5为本发明所述整流天线效率图；
附图标记：1-接收天线，2-SMA母头，3-SMA公头，4-整流电路，5-叉指电路，6-koch分形的微带低通滤波器。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，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。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图2～图5，图2为本发明优选的实施例：一种正六边形结构的2.45GHz微带整流天线，其整流天线结构如附图2所示，包括接收天线1、SMA母头2、SMA公头3和整流电路4。正六边形微带天线通过收集空间中的2.45GHz电磁波，经过SMA头传至整流电路。在整流电路中，输入低通滤波器(LPF)用于滤除高频杂波并传输至整流二极管，整流二极管将微波变为直流传至扇形直通滤波器，扇形直通滤波器将滤除一阶和二阶谐波后的能量传至负载。
本实施例中，接收天线1是正六边形微带天线，天线上的SMA母头2与SMA公头3进行连接，该天线的结构如附图3所示，工作频段在2.45GHz，介质材料采用FR4，介电常数为4.4，损耗正切为0.02，馈电方式采用共面波导(CPW)馈电，总占用面积为32*48mm2，天线输入端阻抗为50欧姆。
整流电路4包括输入低通滤波器(LPF)、匹配电路、整流二极管、扇形直通滤波器和负载。其中，该输入低通滤波器(LPF)结构如附图4所示，输入低通滤波器(LPF)工作频段在2.45GHz，介质材料采用FR4，介电常数为4.4，损耗正切为0.02，滤波器输入端和输出端均为50欧姆。本实施例所使用的输入低通滤波器为加入了叉指电路5，并使用koch分形之后的微带低通滤波器6，分形后的低通滤波器和叉指电路通过微带线连接。引入叉指电路，可以拓宽滤波器阻带和良好的抑制寄生通带。由于叉指电路的引入，微带滤波器的占用面积会增加。但是，加入的叉指电路的总长度不足整个介质基板长度的十分之一，对整体滤波器尺寸的影响不是很大，可以忽略不计。最后，对输入低通滤波器进行koch分形，可以将通带内的反射损耗降低。
关于匹配电路，由于天线和输入低通滤波器的阻抗已经为50欧姆，只需要对整流二极管进行匹配，而二极管属于非线性元件，其阻抗会随着频率的改变而改变，选取输入功率为20dbm时，进行单支节匹配。
整流二极管由两个单管串并联的HSMS286C组成，即双管串并联模式，有助于提高整流电路的效率。
对于扇形直通滤波器，该直通滤波器所采用的介质材料也为FR4，可以通过调节扇形枝节的半径r1，r2和角度1，角度2达到对基频以及二次谐波的抑制。
如附图5所示，本实施例采用的整流天线，最终整流效率在输入功率为20dbm时，其整流效率达到了71.6％，较传统整流天线的整流更好(传统整流天线的整流效率一般50％～60％)。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种正六边形结构的2.45GHz微带整流天线，其特征在于，该天线包括接收天线、SMA母头、SMA公头和整流电路；所述整流电路包括输入低通滤波器、匹配电路、整流二极管Ⅰ、整流二极管Ⅱ、扇形直通滤波器和负载；
所述接收天线和输入低通滤波器的输入端通过SMA头连接，输入低通滤波器的输出端和匹配电路的输入端连接，匹配电路和整流二极管Ⅱ的输出端与整流二极管Ⅰ的输入端连接，整流二极管Ⅰ的输出端和扇形直通滤波器的输入端进行连接，整流二极管Ⅱ的输入端接地，扇形直通滤波器的输出端和负载连接；
所述接收天线：用于收集空间中的微波，并将其转换为导行波的形式在传输线上进行传播；
所述输入低通滤波器：用于滤除高频杂波并传输至整流二极管；
所述匹配电路：一方面是对接收天线和低通输入滤波器的阻抗进行匹配；另一方面是对整流二极管进行匹配；
所述整流二极管Ⅰ：允许直流通过，阻止基频和高次谐波等射频能量进入负载，为负载提供稳定的直流输入；所述整流二极管Ⅱ：将射频能量返回整流二极管Ⅰ中再次整流；
所述扇形直通滤波器：用于滤除奇次谐波，二阶和三阶谐波。
2.根据权利要求1所述的一种正六边形结构的2.45GHz微带整流天线，其特征在于，所述接收天线是正六边形微带天线，正六边形微带天线上的SMA母头与SMA公头连接。
3.根据权利要求2所述的一种正六边形结构的2.45GHz微带整流天线，其特征在于，所述正六边形微带天线工作在2.45GHz频段。
4.根据权利要求1所述的一种正六边形结构的2.45GHz微带整流天线，其特征在于，所述输入低通滤波器包括两个叉指电路和koch分形的微带低通滤波器；所述两个叉指电路通过微带线分别连接在koch分形的微带低通滤波器两端。
5.根据权利要求1所述的一种正六边形结构的2.45GHz微带整流天线，其特征在于，所述扇形直通滤波器通过调节扇形枝节的半径和角度达到对基频以及二次谐波的抑制。
6.根据权利要求1所述的一种正六边形结构的2.45GHz微带整流天线，其特征在于，输入低通滤波器和直通滤波器采用的介质材料为FR4。
7.根据权利要求1所述的一种正六边形结构的2.45GHz微带整流天线，其特征在于，整流二极管I和整流二极管II均为HSMS286C。
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