本發(fā)明涉及無線能量采集領域，更具體地，涉及一種面向無線能量采集的一體化高效整流天線。

背景技術(shù)：

在微波無線能量傳輸和采集的領域中，天線和射頻整流電路是系統(tǒng)的核心模塊，直接影響著系統(tǒng)的整體性能。

由于無線能量來源的不確定性，在進行能量采集時適合采用近似全向輻射的環(huán)形天線，用分形的方法對環(huán)天線進行適當?shù)母倪M，可以進一步實現(xiàn)天線的小型化和多頻特性。當環(huán)天線周長近似等于一個波長的時候，輻射阻抗大約為200歐姆，這使得它難以匹配到50歐姆電路。為了解決這個問題，傳統(tǒng)方法是在距離天線水平方向h處放一個無限大地平面，理論上選擇合適的h就可以使天線匹配到50歐姆。但是如果天線制造在單層介質(zhì)介質(zhì)板的PCB上下層，由于市面上這種介質(zhì)板的厚度相當有限，無法滿足理論得出的h值；另外近似無限大的地平面也額外增加了天線的整體面積，這與天線設計的緊湊型要求背道而馳。

設置整流電路的目的是把天線接收到的射頻交流信號能量轉(zhuǎn)換成直流能量，實際設計中通常包含了阻抗匹配、諧波抑制、二極管整流、濾波等模塊。一個好的整流電路不僅要滿足寬頻、高效、低輸出紋波的要求，還需要滿足小型化、易于集成的產(chǎn)品化需求。從二極管拓撲結(jié)構(gòu)來看，目前整流電路主要有單管串聯(lián)、單管并聯(lián)、villard倍壓器、電荷泵和差分雙管串聯(lián)等結(jié)構(gòu)。在無線能量采集的應用場合中，往往具有輸入功率低、負載芯片電壓要求高的特點。傳統(tǒng)的單管串聯(lián)、單管并聯(lián)結(jié)構(gòu)屬于半波整流，在較低輸入功率條件下無法獲得高的輸出電壓；倍壓器、電荷泵結(jié)構(gòu)可以輸出較高的電壓，但是這種結(jié)構(gòu)諧波成分較多，高效率和高電壓難以折衷；差分雙管串聯(lián)的結(jié)構(gòu)自身帶有諧波抑制功能，有利于小型化，但是雙管串聯(lián)僅能輸出2倍的電壓，無法滿足低輸入功率輸出較高電壓的要求。

而在實際的設計生產(chǎn)中，分別設計好天線和整流電路之后，還需要將它們結(jié)合起來形成整流天線。傳統(tǒng)的做法是將天線和整流電路進行簡單地級聯(lián)，這樣整流天線的面積就是兩者之和。這樣使得兩者之間所占用的面積比較大，不符合現(xiàn)有技術(shù)對天線、整流電路緊湊化、易于集成的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決以上現(xiàn)有技術(shù)的難題，提供了一種面向無線能量采集的一體化高效整流天線，該天線引入金屬地平面，優(yōu)化了阻抗匹配，且使得阻抗匹配易于實現(xiàn)，且通過將金屬地平面與分形環(huán)天線在介質(zhì)板的底層和頂層設置成對齊，將整流電路嵌入到環(huán)天線內(nèi)部，節(jié)省了大量的面積，使得能夠達到實現(xiàn)整流天線一體化、進一步小型化的效果。

為實現(xiàn)以上發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案是：

一種面向無線能量采集的一體化高效整流天線，包括介質(zhì)板、分形環(huán)天線和整流電路，所述分形環(huán)天線、整流電路設置在介質(zhì)板的頂層上，整流電路的輸入端與分形環(huán)天線其中一個平行饋線連接，所述整流天線還包括有設置在介質(zhì)板底層上的金屬地平面，金屬地平面在介質(zhì)板底層上的設置位置與分形環(huán)天線在介質(zhì)板頂層上的設置位置對齊，所述金屬地平面與分形環(huán)天線的另一個平行饋線連接；所述整流電路設置在分形環(huán)天線內(nèi)。

優(yōu)選地，所述分形環(huán)天線為Koch分形環(huán)天線。

優(yōu)選地，所述分形環(huán)天線呈正方形狀，其每條邊均由2個2階KOCH分形結(jié)構(gòu)連接而成，兩個饋電口開設在其中一條邊的中點處，并分別與兩端的KOCH分形結(jié)構(gòu)連接。在正方形的每條半邊做2階koch分形變換，得到的分形環(huán)天線相比常規(guī)正方形環(huán)天線具有更小的尺寸、更寬的頻帶等優(yōu)點；

優(yōu)選地，所述金屬地平面呈正方形狀。

優(yōu)選地，所述整流電路包括輸入微帶線、功分器、第一整流支路和第二整流支路，所述輸入微帶線的兩端分別與功分器、分形環(huán)天線的一個平行饋線連接，所述功分器與第一整流支路、第二整流支路連接；

所述第一整流支路包括電容C1、電容C2、二極管D1和二極管D2；所述電容C1的一端與功分器連接，電容C1的另一端與二極管D1的陰極、二極管D2的陽極連接；二極管D1的陽極與介質(zhì)板底層上的金屬地平面連接，二極管D2的陰極與負載連接；二極管D2的陰極通過電容C2與介質(zhì)板底層上的金屬地平面連接；

所述第二整流支路包括電容C3、電容C4、二極管D3和二極管D4；所述電容C3的一端與功分器連接，電容C3的另一端與二極管D3的陰極、二極管D4的陽極連接；二極管D3的陽極與負載連接；二極管D3的陽極通過電容C4與介質(zhì)板底層上的金屬地平面連接；二極管D4的陰極與介質(zhì)板底層上的金屬地平面連接。

優(yōu)選地，所述二極管D2的陰極、二極管D3的陽極分別與一角度為90度的扇形枝節(jié)連接，所述扇形枝節(jié)用于對輸出端的諧波抑制。

優(yōu)選地，所述功分器的兩側(cè)分別連接有一短路枝節(jié)，2條短路枝節(jié)的輸入阻抗為100歐姆，從而使功分器的輸入阻抗為50歐姆。

優(yōu)選地，所述功分器的中部連接有一開路枝節(jié)，用于抑制輸入端的諧波，減少二極管產(chǎn)生的諧波反射回輸入端。

優(yōu)選地，所述分形環(huán)天線的兩個平行饋線分別與金屬地平面、輸入微帶線連接，其中所述金屬地平面上與兩條平行線對應的位置呈三角形狀，接金屬地平面、接輸入微帶線連接的兩條平行線與三角形狀的局部金屬地平面構(gòu)成巴倫，巴倫用于平衡平行饋線到輸入微帶線的轉(zhuǎn)換。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明通過對分形環(huán)天線引入金屬地平面，優(yōu)化了阻抗匹配，并且易于實現(xiàn)；

2.通過設計差分倍壓的整流結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了小型化高效率的效果，并且能在低輸入功率下輸出高電壓；

3.通過將整流電路嵌入到環(huán)天線內(nèi)部，實現(xiàn)了整流天線一體化、進一步小型化的效果。

附圖說明

圖1為分形環(huán)天線的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為整流電路的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為整流天線的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；

以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的闡述。

實施例1

下面以收集GSM1800頻段的信號能量為例，結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步闡述，但本發(fā)明的實施方式不限于GSM1800頻段，通過修改整流天線的尺寸，可以容易地調(diào)整采集能量的信號頻段。

圖1為整流天線中的分形環(huán)天線1的結(jié)構(gòu)示意圖。該分形環(huán)天線1呈正方形狀，其由3個直條和8個2階的Koch分形結(jié)構(gòu)2組成，其尺寸為42mm X 42mm。其中每個直條的寬為0.8mm，長為2.5mm。在設計的工作頻率為1.83GHz時，天線總的電長度大約為1.37個波長。本實施例使用印刷電路板（PCB）工藝將分形環(huán)天線1制作在厚度為0.8mm的聚四氟乙烯介質(zhì)板上，相對介電常數(shù)為2.55。分形環(huán)天線1位于介質(zhì)板的頂層，饋電口3是一對向內(nèi)的平行饋線。為了改善阻抗匹配效果，分形環(huán)天線1內(nèi)設置有一個正方形的金屬地平面4，金屬地平面4位于介質(zhì)板的底層，金屬地平面4接地。為了在環(huán)內(nèi)構(gòu)造微帶電路，節(jié)省面積，在天線饋電口3和底層金屬地平面4中設計了平行饋線端口轉(zhuǎn)微帶線的巴倫。具體是所述分形環(huán)天線的兩個平行饋線分別與金屬地平面4、輸入微帶線5連接，所述金屬地平面4上與兩條平行饋線對應的位置呈三角形狀，接金屬地平面4、接輸入微帶線5連接的兩條平行饋線與三角形狀的局部金屬地平面4構(gòu)成巴倫，巴倫用于平衡平行饋線到輸入微帶線的轉(zhuǎn)換。

如圖2所示為整流天線中以微帶電路形式的整流電路。由特性阻抗為50歐姆的輸入微帶線5作為信號輸入端，連接著的功分器6將信號分成100歐姆的上下2個支路。每個支路是由1個電容和2個二極管構(gòu)成的整流倍壓器，即全波整流電路。二極管為肖特基二極管SMS7630-079LF，封裝為SC79。二極管的連接方式如圖2所示，應注意上下兩個支路的二極管連接是相反的。輸入射頻能量被分成上下2條支路，上支路倍壓整流器得到正的2倍電壓，下支路得到負的2倍電壓，最后輸出電壓為Vout=Vout1-Vout2，因此這個電路是差分的4倍壓整流電路。

由于差分的整流電路結(jié)構(gòu)，對于上下2條支路輸出電壓，其基頻和奇數(shù)次諧波分量會相互抵消，因此輸出濾波器主要關(guān)注偶次諧波即可，這大大簡化了輸出濾波器的設計，節(jié)省了面積。為了得到直流輸出電壓，上下兩條支路倍壓器的輸出端接有角度為90度的扇形枝節(jié)7和100nF的接地電容，用作輸出直通濾波器，分別濾除輸出電壓的高頻和低頻分量。在支路倍壓器的前半部分是阻抗匹配模塊，彎折的短路枝節(jié)8將倍壓器的輸入阻抗匹配到了100歐姆。在信號輸入端的50歐姆轉(zhuǎn)兩路100歐姆微帶線的功分器6中，為了降低諧波的反射損耗，在功分器6中加入了一個開路枝節(jié)9。折中插入損耗和諧波反射損耗后，選擇三次諧波對應的開路枝節(jié)9，其長度為9mm，寬度為1.1mm。即倍壓器二極管產(chǎn)生的三次諧波5.49GHz分量，由于開路枝節(jié)9的存在，無法通過功分器6反射回輸入端口中，從而降低了能量損失，提高了整流效率。

如圖3所示是天線和整流結(jié)合起來的一體化整流天線，外圍一圈是Koch分形天線1，中間的淺色正方形是改善天線阻抗匹配的金屬地平面4，中間的深色部分是整流電路，整體構(gòu)成小型化的整流天線，可以采集GSM1800頻段的能量。 分形環(huán)天線1的一端通過過孔與中間的金屬地平面4相連，金屬地平面4作為接地平面。中間整流電路內(nèi)部也有6處過孔，分別是2個匹配短路枝節(jié)8過孔，2個二極管過孔和2個電容過孔，通過與背面的地平面連接實現(xiàn)接地。輸出端的負載可以接電阻，測量能量采集效率，也可以接電容，用來儲存采集的能量，對應用系統(tǒng)進行供電。

采用本實施方案的整流電路，負載電阻為13K?，輸入功率僅為0dBm的條件下，其能量轉(zhuǎn)換效率可以達到52%，輸出電壓能達到2.6V。在低輸入功率的場合下，具備較高的轉(zhuǎn)換效率和較高輸出電壓的能力，適合無線能量采集。

顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。