CN114336030A

CN114336030A - 一种用于射频能量收集的多频段全向整流天线

Info

Publication number: CN114336030A
Application number: CN202210014600.8A
Authority: CN
Inventors: 张琤; 王宇超; 张博涵
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2022-01-06
Filing date: 2022-01-06
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2042-01-06
Also published as: CN114336030B

Abstract

本发明公开了一种用于射频能量收集的多频段全向整流天线，包括相互连接的天线单元和整流电路单元；其中，天线单元为全向天线；整流电路单元包括并联的三路阻尼匹配电路，且各阻尼匹配电路接收射频频段不同；阻尼匹配电路包括依次连接的多频带阻抗匹配电路、二极管和带通滤波器；三路阻尼匹配电路并联后与负载串联。本发明具有良好的全向性性能，能够在较宽频带内收集各个方向来的电磁波，可以收集环境中的多频段射频能量，将其转化为直流能量用于供电。

Description

一种用于射频能量收集的多频段全向整流天线

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种用于射频能量收集的多频段全向整流天线。

背景技术

随着无线通信技术的发展，在物联网、智慧城市、无线传感器网络等应用中使用的低功耗电子设备越来越多。对于这些低功耗的电子设备来说，更换电池是一项耗时且昂贵的任务，而对废旧电池的不当处理会造成环境污染。因此，从周围环境中收集能量来为低功率电子设备供电已经引起了广泛的兴趣。与风能、太阳能和动能收集相比，射频能量收集为电子设备提供电能具有可植入和可持续收集的特点。此外，随着5G通信技术的发展，周边环境中的5G通信基站、Wi-Fi等射频源的数量显著增加，这意味着收集射频能量给设备供电更加可行。

整流天线是微波能量采集的核心部件，其作用是将射频功率转换为输出的直流功率。整流天线通常由整流电路和接收天线组成，而RF-DC转换效率是评估整流天线性能的一个重要参数。空间射频能量具有在不同频段随机分布的特点，如GSM1800、LTE、5G等。为了充分收集环境中多个频段获得更多的射频能量，多频段整流天线得到了广泛的关注。随着5G通信技术的出现，周围空间将会有越来越多的5G频段的射频能量。到目前为止，所有研究的整流天线都无法在GSM1800、LTE、Wi-Fi、5G频段同时运行。此外，射频能量在空间位置上具有随机分布，但目前研究的接收天线多为定向天线，无法在宽带范围从多个角度收集空间中的射频能量。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于射频能量收集的多频段全向整流天线，具有良好的全向性性能，能够在较宽频带内收集各个方向来的电磁波，可以收集环境中的多频段射频能量，将其转化为直流能量用于供电。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为一种用于射频能量收集的多频段全向整流天线，包括相互连接的天线单元和整流电路单元；其中，天线单元为全向天线；整流电路单元包括并联的三路阻抗匹配电路，且各阻抗匹配电路接收射频频段不同；阻抗匹配电路包括依次连接的多频带阻抗匹配电路、二极管和带通滤波器；三路阻抗匹配电路并联后与负载串联。

天线单元包括上层金属贴片、中间层介质基板以及下层金属贴片，上层金属贴片和下层金属贴片分别刻蚀在中间层介质基板的上表面和下表面。

整流电路单元至少可接收6个频段的射频能量。

整流电路单元包括三路任意数量组合的三频带阻抗匹配电路和双频带阻抗电路并联形成。

整流电路单元可接收7个频段的射频能量，其中，三路阻抗匹配电路设置为上路和下路的双频带阻抗匹配电路以及中路的三频带阻抗匹配电路。

上层金属贴片包括由上至下分别设置的上层椭圆形金属贴片、第一上层长方形金属贴片和第二上层长方形金属贴片，其中第二上层长方形金属贴片作为馈线。

天线单元下方连接有SMA接头，用于连接第二上层长方形金属贴片和下层金属贴片。

整流电路单元设置在介质基板上。

中间层介质基板和整流电路介质基板型号相同，均为介电常数为2.2的 RT/duroid5880材料，损耗角正切为0.0009，厚度为0.787mm。

二极管为肖特基二极管SMS7630。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

具有良好的全向性性能，能够在较宽频带内收集各个方向来的电磁波，可以收集环境中的多频段射频能量，将其转化为直流能量用于供电。

附图说明

图1为本发明实施例中天线的正面结构示意图；

图2为本发明实施例中天线的反面结构示意图；

图3为本发明实施例中整流电路的正面结构示意图；

图4为本发明实施例中天线反射系数的仿真与测试结果图；

图5为本发明实施例中天线辐射方向图仿真与测试结果图；

图6为本发明实施例中整流电路的反射系数仿真与测试结果图；

图7为本发明实施例中整流电路的转换效率随频率变化的仿真与测试结果图；

图8为本发明实施例中整流电路的转换效率随输入功率变化的仿真结果图；

图9为本发明实施例中整流电路的转换效率随输入功率变化的测试结果图；

图中，1-上层椭圆形金属贴片，2-第一上层长方形金属贴片，3-第二上层长方形金属贴片，4-下层金属贴片，5中间层介质基板，6-上路匹配电路，7-中路匹配电路，8-下路匹配电路，9-扇形枝节带通滤波器，10-肖特基二极管，11- 电阻负载。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施案例提供的七频段全向整流天线，其结构如图1、图2、图3 所示，包括天线和整流电路两个部分；天线部分包括上层椭圆形金属贴片1、第一上层长方形金属贴片2、第二上层长方形金属贴片3、下层金属贴片4和中间层介质基板5；整流电路部分包括上路匹配电路6、中路匹配电路7、下路匹配电路8、扇形枝节带通滤波器9、肖特基二极管10、电阻负载11；其中，上层椭圆形金属贴片1与两个上层长方形金属贴片在中间层介质基板5上侧表面；下层金属贴片4在中间层介质基板5的下侧表面。

所述下层金属贴片4是由一块长方形金属贴片在两侧开槽以及在中间开槽设计而成。

所述的上层椭圆形金属贴片1与第一长方形金属贴片2和第二长方形金属贴片3相连接；天线采用微带线馈电，第二长方形金属贴片3为馈线。SMA接头位于天线的下方，连接第二长方形金属贴片3和下层金属贴片4。

本发明实施例中，所述的整流电路由三路组成，上路由双频带阻抗匹配电路、二极管10和带通滤波器组成，中路由三频带阻抗匹配电路、二极管10和带通滤波器组成，下路由另一个双频阻抗匹配电路和相同的二极管10、带通滤波器组成，在最后将三路合成一路连接一个电阻负载11；电路设置在介质基板 12上。

本发明实施例中，所述的二极管10数量为3，采用的是肖特基二极管 SMS7630，分别以并联的形式放置在上中下三路整流电路中。

本发明实施例中，所述的带通滤波器采用扇形枝节的微带结构，扇形枝节在整流电路的工作频段的基频产生谐振，从而只允许直流通过，起到带阻滤波器的功能。

本发明实施例中合理的设计了宽带全向天线，使其可以在频段1.67GHz- 5.92GHz内具有良好的全向性性能，能够在较宽频带内收集各个方向来的电磁波。

如图1-3所示，本发明提供了一种新型七频段射频能量收集整流天线，用于收集GSM1800(1.8GHz)，LTE(2.1GHz)，WLAN/Wi-Fi(2.4GHz、5.8GHz) 和5G(2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz)频段的射频能量。整体分为两部分，宽带全向收集天线和七频段整流电路，天线尺寸为55×50×0.787mm³(长×宽×高),整流电路尺寸为60×58×0.787mm³(长×宽×高)。

如图1-2所示，本实施例所述的上层椭圆形金属贴片1的两个半径由工作频率决定；第一上层长方形金属贴片2的长度与宽度通过CST软件仿真得到，可将天线的输入阻抗匹配到50Ω，第二上层长方形金属贴片3是50Ω的微带线，作为天线的馈线，其宽度对应中间层介质基板5的厚度，长度为5mm。下层金属贴片4是由一块长方形金属贴片在两侧与中间开槽形成的。上层金属贴片与下层金属贴片分别刻蚀在介质基板的上下表面。RT/duroid5880介质基板介电常数为2.2，损耗正切角0.0009，厚度为0.787mm。

如图1-2所示，所述的下层金属贴片4在两侧有两个方形开槽来实现天线在较高频率的全向辐射。

如图1-2所示，所述的下层金属贴片4在中间有一个方形开槽来拓宽天线的带宽。

如图3所示，本实施例所述的整流电路为三路并联形式，上路匹配电路6、零偏置二极管10和扇形枝节带通滤波器9用来整流(1.8GHz、2.6GHz)，中路匹配电路7、零偏置二极管10和扇形枝节带通滤波器9用来整流(2.1GHz、 4.9GHz、5.8GHz)，下路匹配电路8、零偏置二极管10和扇形枝节带通滤波器9用来整流(2.4GHz、3.5GHz)，最后三路合成在后面并联一个电阻负载 11。整流电路采用边缘微带线馈电，输入阻抗为50Ω，连接到SMA接头。

如图4所示，本实施例所述的频率特性包括回波损耗参数。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表回波损耗变量。测试结果表明本发明的宽带全向单极子天线在1.67GHz-5.92GHz频率范围内，|S11|<-10dB，相对阻抗带宽达到111.9％，覆盖整个1.7GHz-5.9GHz整个频段。

如图5所示，本实施例所述的宽带全向接收天线在1.8GHz、2.1GHz2.4 GHz、2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz、5.8GHz的归一化天线辐射方向图5所示，由图可见天线阵列在工作波段内可以很好地保持H面的全向辐射特性，E面辐射方向图为“8”字型，天线在较宽的频段实现了全向辐射的特性。

如图6所示，本实施例所述的七频段整流电路的频率特性包括回波损耗参数。其中横坐标代表频率变量，纵坐标代表回波损耗变量。仿真与测试结果表明在输入功率分别是-15dBm、-10dBm和-5dBm时，整流电路工作在所设计的七个频段都具有较好的回波损耗。

如图7所示，本实施例所述的七频段整流电路的整流特性为整流效率。其中横坐标代表频率变量，纵坐标代表整流效率。测试结果表明整流电路在每个频段的转换效率分别为44.4％@1.84GHz、43.9％@2.04GHz、45.4％@2.36GHz、 43.4％@2.54GHz、36.1％@3.3GHz、32.4％@4.76GHz、28.3％@5.78GHz.并且，在输入功率为-15dBm与-5dBm时，整流电路在七个频段也具有较高的转换效率。

如图8和图9所示，本实施例所述的七频段整流电路的整流特性为整流效率，其中横坐标代表输入功率变量，纵坐标代表整流效率。测试结果表示该整流电路在-20dBm-5dBm的输入功率范围都可以正常工作。

本发明的技术方案不限于上述具体事实例的限制，如本发明为工作在 1.67-5.92GHz的宽带全向天线，改变尺寸可适用于其他波段；本发明为工作在GSM1800(1.8GHz)，LTE(2.1GHz)，WLAN/Wi-Fi(2.4GHz、5.8GHz)和 5G(2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz)波段的七频段整流电路，改变尺寸可使用于其他波段。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种用于射频能量收集的多频段全向整流天线，其特征在于，包括相互连接的天线单元和整流电路单元；其中，天线单元为全向天线；整流电路单元包括并联的三路阻抗匹配电路，且各阻抗匹配电路接收射频频段不同；阻抗匹配电路包括依次连接的多频带阻抗匹配电路、二极管和带通滤波器；三路阻抗匹配电路并联后与负载串联。

2.根据权利要求1所述的一种用于射频能量收集的多频段全向整流天线，其特征在于，天线单元包括上层金属贴片、中间层介质基板以及下层金属贴片，上层金属贴片和下层金属贴片分别刻蚀在中间层介质基板的上表面和下表面。

3.根据权利要求1所述的一种用于射频能量收集的多频段全向整流天线，其特征在于，整流电路单元至少可接收6个频段的射频能量。

4.根据权利要求3所述的一种用于射频能量收集的多频段全向整流天线，其特征在于，整流电路单元包括三路任意数量组合的三频带阻抗匹配电路和双频带阻抗电路并联形成。

5.根据权利要求3所述的一种用于射频能量收集的多频段全向整流天线，其特征在于，整流电路单元可接收7个频段的射频能量，其中，三路阻抗匹配电路设置为上路和下路的双频带阻抗匹配电路以及中路的三频带阻抗匹配电路。

6.根据权利要求2所述的一种用于射频能量收集的多频段全向整流天线，其特征在于，上层金属贴片包括由上至下分别设置的上层椭圆形金属贴片、第一上层长方形金属贴片和第二上层长方形金属贴片，其中第二上层长方形金属贴片作为馈线。

7.根据权利要求6所述的一种用于射频能量收集的多频段全向整流天线，其特征在于，天线单元下方连接有SMA接头，用于连接第二上层长方形金属贴片和下层金属贴片。

8.根据权利要求1所述的一种用于射频能量收集的多频段全向整流天线，其特征在于，整流电路单元设置在介质基板上。

9.根据权利要求8所述的一种用于射频能量收集的多频段全向整流天线，其特征在于，中间层介质基板和介质基板型号相同，均为介电常数为2.2的RT/duroid5880材料，损耗角正切为0.0009，厚度为0.787mm。

10.根据权利要求1所述的一种用于射频能量收集的多频段全向整流天线，其特征在于，二极管为肖特基二极管SMS7630。