CN113644430A

CN113644430A - 一种应用于整流天线系统的单馈四极化天线装置

Info

Publication number: CN113644430A
Application number: CN202110915164.7A
Authority: CN
Inventors: 栾秀珍; 郑玉鑫; 范建秀; 廖海旭
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2021-08-10
Filing date: 2021-08-10
Publication date: 2021-11-12

Abstract

本发明提供一种应用于整流天线系统的单馈四极化天线装置，其特征在于，包括：第一介质基板、垂直设置于所述第一介质基板下方中部位置的第二介质基板以及匹配电路；其中：所述第一介质基板的下表面上写呈中心对称方式敷设有第一天线贴片和第二天线贴片，对称中心为所述第一介质基板与第二介质基板接触面的面心；所述第二介质基板的正面印制有微带线导体带条，背面开设有H型槽并且与接地板连接；所述第一天线贴片与所述微带线导体带条相连，所述微带线导体带条连与匹配电路的输入端相连；所述第二天线贴片与所述接地板相连。本发明对于水平/垂直极化和±45°极化的微波均为全极化匹配状态接收，具有接收效率高的优点。

Description

一种应用于整流天线系统的单馈四极化天线装置

技术领域

本发明涉及整流天线技术领域，具体而言，尤其涉及一种应用于整流天线系统的单馈四极化天线装置。

背景技术

随着无线物联网系统的广泛应用以及无线通信技术的快速发展，万物互联将成为无线物联网发展的趋势。目前，无线物联网终端设备的数量正在快速增长，射频能量收集技术将成为未来物联网中革命性的技术，取代基于传统电池的现有物联网设备供电技术。利用射频能量收集技术可以将射频能量转换成直流能量，从而为低功耗电子和电气设备提供了一种新型的绿色能源解决方案，因此具有广阔的应用前景。与传统的电池供电方式相比，射频能量收集技术具有可持续性强、对环境友好的特点，能够克服一些特定场所电池供电所带来的束缚问题。整流天线是射频能量收集系统中的一个核心部分。对于物联网等由小型设备单元组成的系统，需要整流天线在结构上具有结构简单、体积小、重量轻、成本低的特点，同时还需要具备优良的电性能。然而，在目前广泛应用的4G和5G通信系统中，仍然缺少一种能量回收性能好且宽频带的天线装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有四极化和宽频带特性的整流天线装置，以适应4G和5G通信系统发射的电磁波的特性，尽可能多的收集环境中的能量，将环境中的微波能量转换为直流能量，为物联网等系统中低功耗电子和电气设备供电。

本发明采用的技术手段如下：

一种应用于整流天线系统的单馈四极化天线装置，包括：第一介质基板、垂直设置于所述第一介质基板下方中部位置的第二介质基板以及匹配电路；其中：

所述第一介质基板的下表面上写呈中心对称方式敷设有第一天线贴片和第二天线贴片，对称中心为所述第一介质基板与第二介质基板接触的第一平面的面心，以所述面心为原点、接触面长边方向为x轴，接触面宽方向为y轴构建指示坐标系；

所述第一天线贴片逆时针依次设置有一部、二部、三部和四部，其中一部和二部位于指示坐标系的第一象限，三部和四部位于指示坐标系第二象限；所述一部为长方形贴片，其长边与所述第一平面的长边平行，所述二部、三部及四部均为两边夹角30°、末端由弧面连接的扇形，布置方式根据以下规则确定：二部的中线沿指示坐标系45°线延伸，三部的一边沿指示坐标系y轴延伸，四部的中线沿指示坐标系135°线延伸；

所述第二介质基板的正面印制有微带线导体带条，背面开设有H型槽并且与接地板连接；

所述第一天线贴片与所述微带线导体带条相连，所述微带线导体带条连与匹配电路的输入端相连；

所述第二天线贴片与所述接地板相连。

进一步地，所述匹配电路的输出端分别与整流电路的第一整流二极管的阴极和第二整流二极管的阳极相连；所述第一整流二极管的阳极接地，所述第二整流二极管的阴极经并联的旁路电容与负载连接。

进一步地，所述第一整流二极管和第二整流二极管采用串并联的方式与旁路电容以及负载电阻一起完成微波信号到直流信号的转换。

进一步地，所述第一介质基板和第二介质基板均采用相对介电常数为2.65、厚度为1.2mm的F4B介质基板。

本发明公开了一种单馈四极化宽频带天线。该天线用于收集物联网工作环境中4G和5G通信频段的无线能量。通过构造新型的天线贴片形状，在水平(0°)、垂直(90°)和±45°方向形成类似于偶极子天线的电流分布，从而使天线可以在水平/垂直和±45°四个极化方向同时实现全极化匹配接收，提高接收效率。由于采用的是单微带线馈电的方式进行馈电，因此具有结构简单、易实现的优点。所述天线可以用于实现环境中的能量收集，将环境中的射频能量转换为可用的直流电源，为低功耗电子设备和传感器供电。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明对于水平/垂直极化和±45°极化的波均为全极化匹配状态接收，因此具有接收效率高的优点。

2、本发明采用单微带线馈电的方式实现四极化，具有结构简单、易实现的优点。

3、本发明基于微带结构实现，采用印刷电路技术制作，成本低，可批量生产。

4、本发明的整流电路采用串并联倍压电路结构，体积小，结构紧凑，转换效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明四极化宽带整流天线结构主视图。

图2为本发明四极化宽带整流天线结构俯视图。

图3为本发明四极化宽带整流天线结构侧视图。

图4为本发明四极化宽带整流天线中整流电路部分的结构图。

图5为实施例中四极化宽带整流天线反射系数随频率变化图。

图6为实施例中四极化宽带整流天线水平极化方向增益方向性图。

图7为实施例中四极化宽带整流天线垂直极化方向增益方向性图。

图8为实施例中四极化宽带整流天线+45°极化方向增益方向性图。

图9为实施例中四极化宽带整流天线-45°极化方向增益方向性图。

图10为实施例中四极化宽带整流天线中整流电路的整流效率随输入功率变化图。

图中：1、第一介质基板；101、第一天线贴片；1011、一部；1012、二部；1013、三部；1014、四部；102、第二天线贴片；2、第二介质基板；201、微带线导体带条；202、H型槽；3、接地板。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1-3所示，本发明提供了一种应用于整流天线系统的单馈四极化天线装置，包括：第一介质基板1、垂直设置于所述第一介质基板1下方中部位置的第二介质基板2以及接地板3，接地板3上设置有匹配电路；其中第一介质基板1的下表面上写呈中心对称方式敷设有第一天线贴片101和第二天线贴片102，二者结构相同。对称中心为第一介质基板1与第二介质基板2接触的第一平面的面心，以所述面心为原点、接触面长边方向为x轴，接触面宽方向为y轴构建指示坐标系。第一天线贴片101逆时针依次设置有一部1011、二部1012、三部1013和四部1014，其中一部1011和二部1012位于指示坐标系的第一象限，三部1013和四部1014位于指示坐标系第二象限。

进一步地，一部1011为长方形贴片，其长边与第一平面的长边平行。二部1012、三部1013及四部1014均为两边夹角30°、末端由弧面连接的扇形，布置方式根据以下规则确定：二部1012的中线沿指示坐标系45°线延伸，三部1013的一边沿指示坐标系y轴延伸，四部1014的中线沿指示坐标系135°线延伸。本发明的设计方案使各方向的辐射增益尽可能大，将x轴方向的两片改成长方形后使垂直极化方向的增益增加。

进一步地，第二介质基板2的正面印制有微带线导体带条201，背面开设有H型槽202并且与接地板3连接；第一天线贴片101与所述微带线导体带条201相连，所述微带线导体带条201与匹配电路的输入端相连；第二天线贴片102与接地板3相连。

下面通过具体的应用实例，对本发明的方案和效果做进一步说明。

本实施例提供一种四极化宽带整流天线，包括第一介质基板1和第二介质基板2，印刷在第一介质基板1背面的第一天线贴片101和第二天线贴片102，印制在第二介质基板2上的50欧姆微带线导体带条201，以及第二介质基板2背面的H型槽202。

四极化天线贴片印制在60mm×60mm的F4B介质基板上，介电常数为2.65，厚度为1.2mm。天线和整流器由一条50Ω的微带线5连接。为了便于整流天线和整流电路的集成,整流电路印制在介电常数为2.65、厚度为1.2mm尺寸为20mm×10mm的F4B基板上。

优选地，在本实施例中，第一天线贴片101和第二天线贴片102位于第一介质基板1的下表面，贴片的两部分中间相隔微带线介质基板，也就是第二介质基板2厚度的距离。天线贴片为两片奇对称结构，贴片都是由三片圆心角为30°的扇形1012、10133、1014和一个矩形1011组成。二部1012的中线沿指示坐标系45°线延伸，三部1013的一边沿指示坐标系y轴延伸，四部1014的中线沿指示坐标系135°线延伸。

第一介质基板1与第二介质基板2垂直，且第二介质基板2放置在介质基板1的下侧，其带有的50欧姆微带线导体带条201位于第二介质基板2的前表面。H型槽202位于第二介质基板2的后表面，H型槽的中心位置距离介质基板6的上边缘7mm。微带馈线201加载有具有谐波抑制功能的紧凑型微带谐振单元，与H型槽配合滤除二次、三次等高次谐波，提高天线的接收效率。

参见图5，所述天线的反射系数S11在2.5GHz～3.5GHz频段内能达到-15dB以下。

参见图6-9，所述天线在0°、90°、+45°和-45°四个极化状态下的方向性图均与偶极子天线方向性图一致，四种极化状态下的增益分别为2.1dB、-4.3dB、0.9dB和1.6dB。

第一天线贴片101和第二天线贴片102通过微带馈线201与图4中整流电路的匹配电路部分的输入端连接，匹配电路的输出端连接整流电路的倍压结构的两个肖特基二极管即第一整流二极管D1和第二整流二极管D2。选用的二极管型号为HSMS2852。所述匹配网络的输出端分别与第一整流二极管的阴极和第二整流二极管的阳极相连；第一整流二极管的阳极接地，第二整流二极管的阴极经并联的旁路电容与负载连接。进一步的，所述匹配电路采用T型微带枝节匹配结构，其枝节宽度和长度由第一整流二极管处的输入阻抗值决定。进一步的，所述第一整流二极管、第二整流二极管采用串并联的方式与T型微带枝节连接的输出旁路电容以及负载一起完成微波信号到直流信号的转换，提高电路整体的耐电压性。所述负载值为整流电路的最佳负载值1.2kOhm，以实现最大直流功率输出。

参见图10，整流电路的开启功率为-30dBm，工作频率为3.5GHz、输入功率为8dBm时整流效率达到最大，最大效率为62％。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种应用于整流天线系统的单馈四极化天线装置，其特征在于，包括：第一介质基板、垂直设置于所述第一介质基板下方中部位置的第二介质基板以及匹配电路；其中：

所述第二天线贴片与所述接地板相连。

2.根据权利要求1所述的应用于整流天线系统的单馈四极化天线装置，其特征在于，所述匹配电路的输出端分别与整流电路的第一整流二极管的阴极和第二整流二极管的阳极相连；所述第一整流二极管的阳极接地，所述第二整流二极管的阴极经并联的旁路电容与负载连接。

3.根据权利要求2所述的应用于整流天线系统的单馈四极化天线装置，其特征在于，所述第一整流二极管和第二整流二极管采用串并联的方式与旁路电容以及负载电阻配合实现微波信号到直流信号的转换。

4.根据权利要求1所述的应用于整流天线系统的单馈四极化天线装置，其特征在于，所述第一介质基板和第二介质基板均采用相对介电常数为2.65、厚度为1.2mm的F4B介质基板。