CN111490348A - 一种高频电磁波接收整流天线 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种高频电磁波接收整流天线，包括PCB板以及设置在PCB板上的微波整流电路和接收天线。其中接收天线包括天线板和设置在天线板上的多个微带贴片天线单元、馈电点、SMA母头以及功分馈电网，多个微带贴片天线单元通过馈电点连接天线板，馈电点通过单点馈电激励天线板产生馈电电流，馈电电流通过功分馈电网输出端连接SMA母头，输出匹配信号。输出匹配信号经由微波整流电路整流得到直流电流。所述一种高频电磁波接收整流天线由接收天线模块和微波整流电路模块以不同的组合方式制成，使整流天线能在不同的环境中接收来自空间的微波能量，并将其转化为所需要的直流能量。

Description

一种高频电磁波接收整流天线
技术领域
本申请涉及微波传输技术领域，尤其涉及一种高频电磁波接收整流天线。
背景技术
微波无线能量传输(MPT：Microwave Power Transmission)技术是一种不经由物理线路，通过微波辐射方式发射、传输和接收能量的技术。在远距离输电，以及不便于敷设传统有线电路的地区极为适用，例如地理环境较为复杂的山区、荒漠、孤岛以及太空能量传输。在日常生活中微波无线能量传输也随处可见，无线手机充电，无线供应到消化道内窥镜系统，普遍充电电子传感器等。
微波无线能量传输由发射天线将能量以微波形式发射到空间，在接收端由整流天线接收并将微波能量转化成直流能量。在传输系统中，接收模块与整流模块构成了整个系统中的核心。在实际工作中接收天线设置数量，整流模块的整流效率都对整个传输系统的传输效率起着至关重要的作用。
现有技术中，接收天线存在着体积过大，天线增益过低等问题。整流模块则存在着整流效率低，易受接收天线辐射影响等问题。这就导致微波能量在接收和转换过程中造成不必要的能量损耗，而无法实现能量的高效率低损耗传输。
发明内容
本申请提供了一种高频电磁波接收整流天线，以解决在远距离输电过程中遇到的电线无法敷设问题。本申请
本申请提供了一种高频电磁波接收整流天线，包括：PCB板以及设置在PCB板上的微波整流电路和接收天线；
所述接收天线，包括：天线板和设置在天线板上的多个微带贴片天线单元、馈电点、SMA母头以及功分馈电网；所述多个微带贴片天线单元通过馈电点连接天线板，所述馈电点通过单点馈电激励天线板产生馈电电流；馈电电流通过功分馈电网输出端连接SMA母头，输出匹配信号；
所述微波整流电路连接接收天线的SMA母头一端。
可选的，所述的一种高频电磁波接收整流天线，其特征在于，多个所述微带贴片天线单元通过计算得到阵元信号，阵元信号仿真出功分馈电网。
可选的，所述的一种高频电磁波接收整流天线，其特征在于，多个所述微带贴片天线单元采用1×4矩形阵列分布，以提高微带贴片天线单元的增益。
可选的，所述的一种高频电磁波接收整流天线，其特征在于，所述微波整流电路，还包括：整流板和设置在整流板上的SMA接头、低通滤波器、输入匹配电阻、输出匹配电阻、微波二极管以及直通滤波器；
所述低通滤波器串联输入匹配电阻；输入匹配电阻串联输出匹配电阻；输入匹配电阻与输出匹配电阻并联微波二极管；由输入匹配电阻、输出匹配电阻以及微波二极管组成的并联电路串联直通滤波器；SMA接头连接低通滤波器，用于接收输出匹配信号。
可选的，所述的一种高频电磁波接收整流天线，其特征在于，所述接收天线和微波整流电路集成在所述PCB板同一侧。
可选的，所述的一种高频电磁波接收整流天线，其特征在于，所述PCB板采用FR4板材。
可选的，所述的一种高频电磁波接收整流天线，其特征在于，所述高频电磁波接收整流天线还包括天线地，所述天线地为贴敷在PCB板两面的接地金属板。
由以上技术方案可知,本申请提供一种高频电磁波接收整流天线，以解决在远距离输电过程中由于环境等因素无法敷设传统电缆以及空间微波能量转换的问题。所述高频电磁波接收整流天线包括PCB板以及设置在PCB板上的微波整流电路和接收天线。其中接收天线包括天线板和设置在天线板上的多个微带贴片天线单元、馈电点、SMA母头以及功分馈电网，多个微带贴片天线单元通过馈电点连接天线板，馈电点通过单点馈电激励天线板产生馈电电流，馈电电流通过功分馈电网输出端连接SMA母头，输出匹配信号。输出匹配信号经由微波整流电路整流得到直流电流。所述一种高频电磁波接收整流天线由接收天线模块和微波整流电路模块以不同的组合方式制成，使整流天线能在不同的环境中接收来自空间的微波能量，并将其转化为所需要的直流能量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一种高频电磁波接收整流天线结构示意图；
图2为本申请一种高频电磁波接收整流天线接收天线俯视结构示意图；
图3为本申请一种高频电磁波接收整流天线微波整流电路模块结构示意图；
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
本申请提供的技术方案中，所述高频电磁波接收整流天线可应用于远距离输电以及空间微波无线能量传输领域中。微波无线能量传输(MPT：Microwave PowerTransmission)是由发射天线将能量以微波形式发射到空间，在接收端由整流天线接收并将微波能量转化成直流能量。
实际应用中，所述高频电磁波接收整流天线应用于无线充电电动车，无线供应，消化道内窥镜系统、普通充电电子感应器，供电植入医疗器械等。其中，高频电磁波接收整流天线可接收由发射器发射到空间的能量微波，然后微波能量经由整流天线转化成直流能量，供给给应用设备，实现为设备供能和设备控制的作用。但由于现有技术中，接收天线体积过大，整流模块易受接收天线辐射影响，因此微波能量在接收和转换过程中及其容易造成能量损耗，无法实现高效转化。
为此，本申请提供一种高频电磁波接收整流天线，将接收天线与微波整流电路分别集成在不同的介质基板上，然后接收天线与微波整流电路以多种组合方式集成在一块介质基板的同一侧，用以提高高频电磁波接收整流天线的转化效率。
参见图1，为本申请一种高频电磁波接收整流天线的结构示意图。由图1可知，本申请提供的一种高频电磁波接收整流天线，包括：PCB板3、接收天线1和微波整流电路2。其中接收天线1和微波整流电路2设置在PCB板3的同一侧。PCB板(印制电路板，英文简称PCB,printed circuit board)用来支撑接收天线1和微波整流电路2。
其中接收天线1包括：天线板15、微带贴片天线单元11、馈电点12、SMA母头13和功分馈电网14。微带贴片天线单元11、馈电点12、SMA母头13和功分馈电网14放置在天线板15上。天线板起支撑作用。天线板15上还有蚀刻电路，微带贴片天线单元11接收到信号后通过馈电点12与天线板15上的蚀刻电路相连，每个微带贴片天线单元11通过单点馈电方式产生馈电电流，馈电电流通过蚀刻电路形成功分馈电网14，功分馈电网14通过计算仿真出匹配信号通过SMA母头13传输给微波整流电路2。SMA母头焊接在接收天线的输出端，搭配微波整流电路上的SMA公头便于连接两个模块。
本申请提供的技术方案中，所述微带贴片天线单元11采用圆极化天线，圆极化天线无论接收天线的方向如何，感应出的信号都是相同的，所以在实际应用中，无论信号来自哪个方向，接收天线感应出的电流信号大小都是相同的，减小产生的误差。
参见图2，本申请提供的技术方案中，多个微带贴片天线单元11采用1×4矩形阵列分布，以提高微带贴片天线单元的增益。例如，天线板上放置一列微带贴片天线单元，其阵元响应总值为：
Figure BDA0002459874400000031
在二维天线阵列中，每一列阵元的总响应与直线阵类似，所以上述计算式可以计算出一个微带贴片单元的阵元响应值。
在直线阵列天线组成阵列辐射电磁场的是天线阵各单元辐射场的矢量和，其中：
Figure BDA0002459874400000041
Figure BDA0002459874400000042
式中，
Figure BDA0002459874400000043
是方位角，θ是俯仰角。因此，整个矩形阵列的总响应为所有阵元信号响应的矢量和为：
Figure BDA0002459874400000044
进而可得，整个矩形天线阵列的方向图为：
Figure BDA0002459874400000045
式中：
Figure BDA0002459874400000046
Figure BDA0002459874400000047
从上式中可知，矩形平面阵的方向图可以看作是两个线形阵列的阵因子之积。
由上式还可得出，当把同样的功率馈二维天线阵时，每个天线单元得到一半功率，它们产生相同的场，合成场强。也就是说，当总馈电功率不变的情况下，二维天线阵的场强增大到原来的二倍，从而增大了天线阵的增益。
本申请提供的技术方案中，微带贴片天线单元11、馈电点12、SMA母头13和功分馈电网14都集成在天线板15上，形成一体化结构。这种一体化结构，形式简单，可以与微波整流电路之间自由组合。在实际应用中，采用这种结构便可在不同的环境下采用不同的组合方式。例如，在接收大功率的场合时，就可以灵活的增加接收天线的数量，与此同时通过计算接收天线阵列的输出电流，灵活使用微波整流电路的个数，以减少因为整流二极管带来的功率损耗。
参见图3，本申请提供的技术方案中，所述微波整流电路2，还包括整流板22和设置在整流板22上的SMA接头21、低通滤波器、输入匹配电阻、输出匹配电阻、微波二极管以及直通滤波器。
所述低通滤波器串联输入匹配电阻；输入匹配电阻串联输出匹配电阻；输入匹配电阻与输出匹配电阻并联微波二极管；由输入匹配电阻、输出匹配电阻以及微波二极管组成的并联电路串联直通滤波器；SMA接头连接低通滤波器，用于接收输出匹配信号。
所述低通滤波器采用6阶巴特沃兹低通原型，巴特沃兹滤波器是根据幅频特性在通频带内具有最平坦特性定义的滤波器。采用这种滤波器可以抑制高次谐波，防止二级管产生的高频分量被接收天线辐射而造成能量的损失。在实际应用中，在不同的工作环境下根据需要，通过输入、输出匹配电阻对高次谐波的适配，从而可以省略低通滤波器。节省出的空间可以放置其他器件，用以适应工作环境的需要，或者减小天线体积。
输入、输出匹配电阻作为系统匹配负责调整负载功率和抑制信号反射，其作用是可以让整流电路输出端的负载上能够得到最大的功率。
本发明所述微波二极管可以采用HSMS2820肖特基二极管，肖特基二极管是通过由贵金属为正极，以N型半导体为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。其优点是具有开关频率高和正向压降低以及较低的门限电压，在接收频率为2500MHz的交流信号后可将其转换成直流信号。
微波二极管作为整流电路的核心器件，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起到非常重要的作用。
本发明所述输出滤波器的结构是1/4波长的微带线与电容并联，能够起到平滑的输出直流、滤除基波和高次谐波的作用。同时还可将高频和高次谐波反射回微波二极管进行二次整流，以提高转换效率。
本发明所述SMA接头21为焊接在低通滤波器输入端的SMA公头，用来连接SMA母头。所述SMA接头21具有扩展性，可以灵活连接接收天线个数，在一定程度上降低了整流模块带来的功率损耗。
本申请提供的技术方案中，所述接收天线1和微波整流电路2集成在所述PCB板3同一侧。如图1，整流电路垂直放置在整流天线的背面，这样的放置方式可以有效避免整流电路带来的辐射影响，提高微波整流电路的转化率。
本申请提供的技术方案中，所述PCB板3以及天线板15和整流板22均采用FR4板材。FR4材料通常在温度150℃的情况下仍有较高的机械强度，干态、湿态下电气性能好且阻燃。在实际应用中，由于需要使用天线的环境各有不用，采用这种介质材料便可以适用多种环境需求。例如，环境恶劣的荒原、山区；昼夜温差极大的戈壁、沙漠；甚至气候湿润潮湿的湿地、沼泽以及人体。
本申请提供的技术方案中，所述高频电磁波接收整流天线还包括天线地4，所述天线地4为贴敷在PCB板3上的接地金属板。天线地4设置在PCB板的正反两面，实际应用中，天线地4可以提供零点位，以在天线中形成参考地。
由以上技术方案可知，本申请提供一种高频电磁波接收整流天线，以实现以解决在远距离输电过程中由于环境等因素无法敷设传统电缆以及空间微波能量转换的问题。所述一种高频电磁波接收整流天线，包括：PCB板3，以及设置在PCB板3上的微波整流电路2和接收天线1。其中，接收天线1，包括：天线板15和设置在天线板15上的多个微带贴片天线单元11、馈电点12、SMA母头13以及功分馈电网14；所述多个微带贴片天线单元11通过馈电点12连接天线板15，所述馈电点12通过单点馈电激励天线板15产生馈电电流；馈电电流通过功分馈电网14输出端连接SMA母头13，输出匹配信号。所述微波整流电路2连接接收天线1的SMA母头13一端。通过对所述接收天线的排列以及微波整流电路的放置位置来实现接收天线的增益及整流天线的转化效率。
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种高频电磁波接收整流天线，其特征在于，包括：PCB板(3)，以及设置在PCB板(3)上的微波整流电路(2)和接收天线(1)；
所述接收天线(1)，包括：天线板(15)和设置在天线板(15)上的多个微带贴片天线单元(11)、馈电点(12)、SMA母头(13)以及功分馈电网(14)；所述多个微带贴片天线单元(11)通过馈电点(12)连接天线板(15)，所述馈电点(12)通过单点馈电激励天线板(15)产生馈电电流；馈电电流通过功分馈电网(14)输出端连接SMA母头(13)，输出匹配信号；
所述微波整流电路(2)连接接收天线(1)的SMA母头(13)一端。
2.根据权利要求1所述的一种高频电磁波接收整流天线，其特征在于，多个所述微带贴片天线单元(11)通过计算得到阵元信号，阵元信号仿真出功分馈电网(14)。
3.根据权利要求1所述的一种高频电磁波接收整流天线，其特征在于，多个所述微带贴片天线单元(11)采用1×4矩形阵列分布，以提高微带贴片天线单元的增益。
4.根据权利要求1所述的一种高频电磁波接收整流天线，其特征在于，所述微波整流电路(2)，还包括：整流板(22)和设置在整流板(22)上的SMA接头(21)、低通滤波器、输入匹配电阻、输出匹配电阻、微波二极管以及直通滤波器；
所述低通滤波器串联输入匹配电阻；输入匹配电阻串联输出匹配电阻；输入匹配电阻与输出匹配电阻并联微波二极管；由输入匹配电阻、输出匹配电阻以及微波二极管组成的并联电路串联直通滤波器；SMA接头连接低通滤波器，用于接收输出匹配信号。
5.根据权利要求1所述的一种高频电磁波接收整流天线，其特征在于，所述接收天线(1)和微波整流电路(2)集成在所述PCB板(3)同一侧。
6.根据权利要求1所述的一种高频电磁波接收整流天线，其特征在于，所述PCB板(3)采用FR4板材。
7.根据权利要求1所述的一种高频电磁波接收整流天线，其特征在于，所述高频电磁波接收整流天线还包括天线地(4)，所述天线地(4)为贴敷在PCB板(3)两面的接地金属板。
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