CN112701485A - 一种应用于无线通信和输能的整流谐振环电小天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于无线通信和输能的整流谐振环电小天线，包括单极子天线，所述单极子天线的端口接外接电路；所述单极子天线包括介质基板，分别位于介质基板上下表面的辐射贴片和部分金属地；所述介质基板与部分金属地之间设有一寄生谐振环，所述寄生谐振环上连接一整流电路，用于将寄生谐振环上的电流输送到负载，给设备充电。本发明通过在寄生谐振环开口处连接整流电路，可实现微波无线能量传输和无线数据传输。并且整流电路的阻抗随频率变化而变化，可进一步改善通信端口的匹配，扩宽通信端口的工作频率。本发明具有多功能，小型化等特点，可为无线传感器网络提供通信和供能，广泛应用于微波无线能量传输和无线通信系统。

Description

一种应用于无线通信和输能的整流谐振环电小天线
技术领域
本发明涉及整流天线技术领域，具体涉及一种应用于无线通信和输能的整流谐振环电小天线。
背景技术
无线能源传输，利用空间中的电磁波进行能量接收并转换功能的传输方式，有利于具有分布式、互联性特点的能源互联网免去有限线缆的束缚，使能源物联网系统更加灵活、简洁和方便。
无线能量传输有三种方式，电磁感应式、电磁共振式和微波能量传输(MPT，Microwave Power Transmission)。其中微波输能，是利用微波作为能量的载体，将电能从发电装置端无线传输到接收端并加以转化的能量传输方式，是一种新兴的能量传输技术。相比较与目前相对成熟的电磁感应式、电磁共振式无线输能技术，微波无线能量传输技术可实现远距离的无线能量传输。该技术通过微波进行能量的传输，充分的利用了微波在自用空间中所具有的无线、低损耗及自然条件限制小等优点，是一种低成本、可靠性高的远距离的能量输送解决方案。
目前，在能源互联网中，不仅为了实现通信基本功能，还需要实现整流功能进行无线能量接收和转换。所以，通信整流天线受到越来越多设计者的青睐。X.Yang等人在文献“Anovel compact printed rectenna for data communication systems”中提出一种双端口通信整流天线。该整流天线采用相互垂直的双H缝隙耦合馈电，一个端口接整流电路，另一个端口接通信电路。但是此天线具有三层介质基板叠加而成，增加了天线的剖面高度。并且，通信和整流工作频率不统一。Ping Lu等人在文献“Atwo-channel frequencyreconfigurable rectenna for microwave powertransmission and datacommunication”公开了一种频率可重构通信整流天线。通过引入PIN可调开关器件，天线可以实现通信和输能工作。但是，该结构引入了开关的损耗，降低了整流电路的效率。卢萍等人在公开号为CN110289488A的中国发明专利“一种多极化双通道通信/整流多功能天线”中公开了一种基于正交混合耦合器多极化双通道通信整流天线。由于引入了正交混合耦合器，增加了通信整流天线的尺寸。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种应用于无线通信和输能的整流谐振环电小天线,可实现微波无线能量传输和无线数据传输，具有多功能，小型化等特点，
本发明采用下述的技术方案：
一种应用于无线通信和输能的整流谐振环电小天线，包括单极子天线，所述单极子天线包括介质基板，分别位于介质基板上下表面的辐射贴片和部分金属地；
所述部分金属地左侧设有一寄生谐振环，所述寄生谐振环上连接一整流电路，用于将寄生谐振环上的电流输送到负载，给设备充电；
所述辐射贴片的一端接外接电路。
优选的，所述寄生谐振环为半圆形开口环结构，开口处接整流电路用于将寄生谐振环上的射频电流能量输送到负载，给设备充电。
优选的，所述部分金属地中部设有一圆形缺陷地结构，有助于实现良好匹配。
优选的，所述整流电路包括旁路电容33，负载34，匹配微带枝节35，串联的前置电容31和整流器件32，所述旁路电容33与串联后的前置电容31，整流器件32并联，旁路电容的一端接负载34，另一端接地；所述整流电路的输入阻抗为容性，且随着频率的变化整流电路3的输入阻抗也随之变化，有利于单极子天线的匹配。
优选的，所述外接电路为匹配负载，本发明用于无线能量传输。
优选的，所述外接电路为通信电路，本发明可以给负载充电供能，还可以用于传输数据。
优选的，所述寄生谐振环通过匹配微带枝节与整流电路相连，单极子天线与通信电路通过同轴接头连接。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过在寄生谐振环开口处连接整流电路，可实现微波无线能量传输和无线数据传输。并且，整流电路的阻抗随频率变化而变化，相当于一变容二极管，可进一步改善通信端口的匹配，扩宽通信端口的工作频率。
2、本发明具有多功能，小型化等特点，可为无线传感器网络提供通信和供能，广泛应用于无线能量传输和无线通信系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明整流电路的结构示意图；
图3为本发明实施例单极子天线输出端S参数曲线示意图(寄生谐振环连接整流电路或不连接整流电路)；
图4为本发明实施例谐振端口(谐振环接整流电路端口)的阻抗特性曲线示意图；
图5为本发明实施例整流电路的S参数示意图(在输入功率0dBm下的不同频率)；
图6为本发明实施例整流电路的S参数示意图(在工作频率1.5GHz下的不同输入功率)；
图7为本发明实施例整流电路不同频率下的阻抗特性曲线；
图8为本发明实施例整流电路不同输入功率下的转换效率示意图；
图中所示
1—单极子天线，2—寄生谐振环，3—整流电路，4—通信电路；
11—辐射贴片，12—介质基板，13—部分金属地；
22—第二端口；
31—前置电容，32—整流器件，33—旁路电容，34—匹配微带枝节；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1至图8所示，一种应用于无线通信和输能的整流谐振环电小天线，包括单极子天线1，寄生谐振环2，整流电路3；
所述单极子天线1包括介质基板12，位于介质基板12上表面的辐射贴片11和位于介质基板12下表面的部分金属地13；所述部分金属地13中部设有一圆形缺陷地结构，有助于实现良好匹配。
所述整流电路3、寄生谐振环2与单极子天线1共用介质基板12。介质基板12型号为罗杰斯高频板Rogers 5880，厚度为0.508mm。寄生谐振环2在部分金属地13结构上，作为单极子天线1的寄生部分，形成寄生谐振环。
所述部分金属地13的左侧设有一寄生谐振环2，所述寄生谐振环2为半圆形开口环结构，开口处连接一整流电路3，将谐振环上的射频能量转换为直流能量，并将电流输送到负载，给设备充电。
所述单极子天线1由50Ω标准同轴接头馈电，通过单极子天线1将馈电能量耦合到寄生谐振环2上，此时寄生谐振环2上在谐振工作频率下会产生剧烈的电流。
所述整流电路3包括旁路电容33，负载34，匹配微带枝节，串联连接的前置电容31和整流器件32，所述旁路电容33和串联连接后的前置电容31，整流器件32并联，旁路电容33的一端接负载另一端接地，各器件之间使用匹配微带枝节35连接；
所述整流器件32为整流二极管，型号为HSMS2850；
所述前置电容31防止整流出来的直流返回到天线，影响天线的辐射性能。而一并联的整流二极管HSMS2850构成半波整流拓扑结构，用于将射频能量转换为直流能量。最后，旁路电容33将整流出来的直流，进一步整形，减少纹波。旁路电容33与前置电容31共同配合，整流电路的高次谐波可以被很好地抑制。
所述单极子天线的端口为第二端口22，即，辐射贴片11的右端，其作用在于接收信号和发射信号，用于无线通信；第二端口22连接一通信电路4，用于数据的传输。所述通信电路4包括滤波器，低噪声放大器，混频器等。
由于整流电路的输入阻抗为R-jX，X>0，可等效为一电阻与电容的串联，其中，R为整流电路等效电阻，j为虚数，X为整流电路等效阻抗；
如图3所示，此时第二端口22在未接入整流电路之前，在工作频率1.5Ghz下不能实现很好地匹配工作。可以看到，第二端口2在1.5GHz的S参数|S22|只有-8.8dB。
如图4所示，为寄生谐振环2开口处的阻抗特性曲线图，在1.5GHz的谐振工作频率点时，实部阻抗很大，并且在谐振工作频率点处，阻抗的虚部从感性剧变到了容性。在1.5GHz谐振频率点处，ZR＝356.9+j268.2Ω，其中，ZR为寄生谐振环2开口处的阻抗；
为了实现谐振环与整流电路之间的良好匹配，在工作频率1.5GHz下，需要将整流电路3的输入阻抗等于寄生谐振环2开口处的共轭阻抗，即
Zin＝ZR *＝356.9-j268.2Ω
式中，Zin为整流电路的输入阻抗，Ω；ZR *为寄生谐振环开口处的共轭阻抗，Ω；而在1.5GHz下，整流电路3的输入阻抗变到了Zin＝352.8-j273.2Ω，而与开口环的输入阻抗Zin＝356.9-j268.2Ω,可以成共轭匹配。
如图5至图6所示，为整流电路3在不同频率和不同功率下的S参数曲线图。在工作频率1.3-1.65GHz(输入功率恒为0dBm)或输入功率-5～5dBm下(工作频率为1.5GHz)，整流电路3可以很好的匹配，|S|<-10dB。
如图7所示，为不同频率下整流电路3的阻抗特性曲线图，随着频率的变化，整流电路3的阻抗也随之发生变化。例如，在1.3GHz下，整流电路3的输入阻抗变到了Zin＝45-j57.88Ω，而在1.4GHz下，整流电路3的输入阻抗变到了Zin＝111.33-j113.41Ω，且都与谐振环开口处共轭匹配。此时，整流电路3随着频率变化，其输入阻抗也随之变化，置于寄生谐振环2开口处，相当于一变容二极管。随着频率改变开口处的阻抗，实现了通信端口(第二端口22)在1.3-1.5GHz工作频率范围内的良好匹配，进一步扩宽了第二端口22的工作频率范围，如图3所示。但是，如果没有接入整流电路时，此时，第二端口22将不能实现很好地匹配，S参数|S22|只有-8.8dB。
如图8所示，为整流电路3在输入功率为0dBm处不同工作频率下的整流效率曲线图；整流电路3在1.3-1.55GHz频率范围变化内都可以达到较高的整流效率(η>50％)。并且，在频率1.5GHz下，整流电路3都可以获得最高整流效率η＝65.3％。
本发明具有两种工作状态：
第一状态：寄生谐振环2接整流电路3，第二端口22接50Ω匹配负载时，本发明只用于无线能量传输；
第二状态：寄生谐振环2接整流电路3，第二端口22接通信电路4时，本发明可以给负载充电供能，还可以用于传输数据。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种应用于无线通信和输能的整流谐振环电小天线，其特征在于，包括单极子天线(1)，所述单极子天线(1)包括介质基板(12)，分别位于介质基板(12)上下表面的辐射贴片(11)和部分金属地(13)；
所述部分金属地左侧设有一寄生谐振环，所述寄生谐振环上连接一整流电路，用于将寄生谐振环上的电流输送到负载，给设备充电；
所述辐射贴片的一端接外接电路。
2.根据权利要求1所述的一种应用于无线通信和输能的整流谐振环电小天线，其特征在于，所述寄生谐振环(2)为半圆形开口环结构，开口处接整流电路(3)。
3.根据权利要求1所述的一种应用于无线通信和输能的整流谐振环电小天线，其特征在于，所述部分金属地(13)中部设有一圆形缺陷地结构。
4.根据权利要求2所述的一种应用于无线通信和输能的整流谐振环电小天线，其特征在于，所述整流电路包括旁路电容(33)，负载(34)，匹配微带枝节(35)，串联的前置电容(31)和整流器件(32)，所述旁路电容(33)与串联后的前置电容(31)，整流器件(32)并联，旁路电容的一端接负载(34)另一端接地。
5.根据权利要求4所述的一种应用于无线通信和输能的整流谐振环电小天线，其特征在于，所述外接电路为匹配负载。
6.根据权利要求4所述的一种应用于无线通信和输能的整流谐振环电小天线，其特征在于，所述外接电路为通信电路(4)。
7.根据权利要求5或6任意一项所述的一种应用于无线通信和输能的整流谐振环电小天线，其特征在于，所述寄生谐振环(2)通过匹配微带枝节(35)与整流电路(3)相连，单极子天线(1)与通信电路(4)通过同轴接头连接。
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