本發(fā)明涉及微波無(wú)線能量傳輸領(lǐng)域，更具體地，涉及一種緊湊的寬功率輸入的雙極化整流天線。

背景技術(shù)：

微波無(wú)線能量傳輸(mpt：microwavepowertransmission)技術(shù)，是通過(guò)把直流能量轉(zhuǎn)化為射頻能量，并通過(guò)電磁輻射的方式發(fā)射、脫離物理電線在自由空間中傳播、并被能量接收系統(tǒng)接收后再次轉(zhuǎn)化為直流能量供給后級(jí)使用的技術(shù)。比起有線能量傳輸，無(wú)線能量傳輸在空間靈活性、架設(shè)物理成本，自由度等方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其在體內(nèi)醫(yī)療傳感器供電，物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電等應(yīng)用場(chǎng)景更有不可替代的優(yōu)勢(shì)。在19世紀(jì)50年代，mpt技術(shù)最先被用于大功率、空間輸電、遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)等應(yīng)用研究，功率規(guī)模大。隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，射頻與電子電路尺寸與功率的不斷變小，mpt技術(shù)被更多地應(yīng)用于消費(fèi)電子充電、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)供電、環(huán)境能量收集等場(chǎng)合，以滿足設(shè)備的小型化、高集成度、低成本的需求。

mpt系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是能量接收系統(tǒng)，其包含了射頻接收天線(receivingantenna)與射頻整流電路(rectifyingcircuit)兩個(gè)部分，故又稱整流天線(rectenna)。整流天線的能量接收轉(zhuǎn)換效率(powerconversionefficiency,pce)直接影響了整個(gè)能量傳輸系統(tǒng)的工作性能，是整流天線的關(guān)鍵指標(biāo)。除此之外，尺寸、成本、穩(wěn)定性、魯棒性等也是衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。

在傳統(tǒng)的能量傳輸系統(tǒng)中，傳統(tǒng)接收系統(tǒng)對(duì)輸入功率密度較為敏感，導(dǎo)致輸入功率變化范圍較寬時(shí)無(wú)法維持較優(yōu)的轉(zhuǎn)換效率。另外，傳統(tǒng)單線極化天線在環(huán)境中只能接收一個(gè)方向的線極化波，導(dǎo)致接收的功率具有較大的方向性限制。這些問(wèn)題限制了傳統(tǒng)整流天線在小功率、高集成度應(yīng)用場(chǎng)景的使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決以上現(xiàn)有技術(shù)提供的整流天線在面對(duì)寬功率輸入時(shí)無(wú)法保持較優(yōu)轉(zhuǎn)換效率以及接收射頻能量的方向性限制的缺陷，提供了一種緊湊的寬功率輸入的雙極化整流天線

為實(shí)現(xiàn)以上發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案是：

一種緊湊的寬功率輸入的雙極化整流天線，包括接收天線和整流電路，接收天線的輸出端與整流電路的輸入端電連接，所述接收天線包括天線輻射片、公共地平面、第一饋電探針和第二饋電探針；其中天線輻射片設(shè)置于公共地平面的上方，天線輻射片、公共地平面之間留有作為空氣隙存在的介質(zhì)間距；第一饋電探針、第二饋電探針的一端穿出公共地平面后與天線輻射片電連接，第一饋電探針、第二饋電探針與公共地平面之間不進(jìn)行電連接；所述整流電路包括第一整流支路、第二整流支路和負(fù)載，其中第一整流支路、第二整流支路的輸入端分別與第一饋電探針、第二饋電探針的另一端電連接；第一整流支路、第二整流支路的輸出端分別與負(fù)載的兩端電連接；第一整流支路、第二整流支路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，采用差分輸出。

上述方案中，接收天線接收到來(lái)自發(fā)射系統(tǒng)、其他通信系統(tǒng)的在自由空間輻射的射頻能量，并把這些能量傳導(dǎo)到差分的第一整流支路、第二整流支路，第一整流支路、第二整流支路再進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換與整流，然后輸出直流能量供給負(fù)載使用。

上述方案中，接收天線設(shè)計(jì)為雙線極化天線，具有兩個(gè)能量接收點(diǎn)，可接收來(lái)自兩個(gè)正交方向的射頻能量，大大增強(qiáng)對(duì)輻射線極化波方向變化的魯棒性；再者，第一整流支路、第二整流支路之間采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)差分輸出模式，在這種模式下，第一整流支路、第二整流支路將產(chǎn)生極性相反的直流能量，分別輸出到負(fù)載的正極和負(fù)極，負(fù)載得到兩個(gè)能量的總和。從而提高輸出電壓與能量轉(zhuǎn)換效率，并提高對(duì)輸入功率變化的魯棒性。同時(shí)當(dāng)其中一個(gè)支路維持較高效率時(shí)，其效率起到支撐功能，即使另一支路在較低功率輸入下，電路整體效率也維持在較高水平。由此，整流電路在較寬范圍的功率輸入下，都能維持較高的轉(zhuǎn)換效率。

優(yōu)選地，所述公共地平面設(shè)置在介質(zhì)基板a的頂面上，所述整流電路設(shè)置在介質(zhì)基板a的底面上，第一饋電探針、第二饋電探針的另一端穿出公共地平面、介質(zhì)基板a后分別與第一整流支路、第二整流支路的輸入端電連接，所述第一饋電探針、第二饋電探針與介質(zhì)基板a連接，第一饋電探針、第二饋電探針與公共地平面之間不進(jìn)行電氣連接。

優(yōu)選地，所述天線輻射片設(shè)置在介質(zhì)基板b的頂面上，第一饋電探針、第二饋電探針的一端穿出公共地平面、空氣介質(zhì)、介質(zhì)基板b后與天線輻射片電連接。

優(yōu)選地，所述介質(zhì)基板a或介質(zhì)基板b采用聚四氟乙烯材料制成。

優(yōu)選地，所述所述天線輻射片的橫向剖面呈圓形；所述公共地平面的橫向剖面呈正方形。

優(yōu)選地，所述公共地平面通過(guò)基板介質(zhì)支柱與天線輻射片機(jī)械連接。

優(yōu)選地，所述公共地平面通過(guò)至少2個(gè)支柱與天線輻射片連接，至少2個(gè)支柱以天線輻射片的中心處為圓心在圓周方向上均勻分布。

優(yōu)選地，所述第一整流支路包括第一阻抗匹配電路、第一諧波抑制器、第一射頻整流二極管和第一直通濾波器；其中第一阻抗匹配電路的輸入端與第一饋電探針的另一端電連接，第一阻抗匹配電路的輸出端與第一諧波抑制器的輸入端、第一直通濾波器的輸入端電連接，第一諧波抑制器的輸出端與第一射頻整流二極管的陽(yáng)極電連接，第一射頻整流二極管的陰極與公共地平面電連接；第一直通濾波器的輸出端與負(fù)載的一端電連接；

所述第二整流支路包括第二阻抗匹配電路、第二諧波抑制器、第二射頻整流二極管和第二直通濾波器；其中第二阻抗匹配電路的輸入端與第二饋電探針的另一端電連接，第二阻抗匹配電路的輸出端與第二諧波抑制器的輸入端、第二直通濾波器的輸入端電連接，第二諧波抑制器的輸出端與第二射頻整流二極管的陰極電連接，第二射頻整流二極管的陽(yáng)極與公共地平面電連接；第二直通濾波器的輸出端與負(fù)載的另一端電連接。

優(yōu)選地，所述第一諧波抑制器、第二諧波抑制器均包括二次諧波扇形抑制器和三次諧波扇形抑制器；第一諧波抑制器的二次諧波扇形抑制器、三次諧波扇形抑制器與第一阻抗匹配電路、第一諧波抑制器電連接；第二諧波抑制器的二次諧波扇形抑制器、三次諧波扇形抑制器與第二阻抗匹配電路、第二射頻整流二極管連接。

優(yōu)選地，所述第一射頻整流二極管、第二射頻整流二極管均為肖特基二極管。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1.接收天線采用雙線極化設(shè)計(jì)，大大增強(qiáng)對(duì)輻射線極化波方向變化的魯棒性；

2.整流電路采用差分輸入結(jié)構(gòu)，在較寬功率輸入下能維持更高效率與直流輸出電壓；

3.本發(fā)明的接收天線、整流電路在空間分布上形成多層結(jié)構(gòu)，有效減少剖面面積，結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸??；

4.本發(fā)明的接收天線采用空氣隙結(jié)構(gòu)，有利于消除各元素間雜散波的串?dāng)_，易于組陣。

附圖說(shuō)明

圖1為整流天線的立體圖。

圖2為整流天線的俯視圖。

圖3為整流天線的側(cè)面視圖。

圖4為整流電路的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

附圖僅用于示例性說(shuō)明，不能理解為對(duì)本專利的限制；

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述。

實(shí)施例1

如圖1所示，本發(fā)明提供的整流天線包括接收天線1和整流電路2兩部分，其中接收天線1包括天線輻射片11、公共地平面12、第一饋電探針13和第二饋電探針14；其中天線輻射片11設(shè)置于公共地平面12的上方，天線輻射片11、公共地平面12之間留有作為空氣介質(zhì)存在的間距；第一饋電探針13、第二饋電探針14的一端穿出公共地平面12后與天線輻射片11電連接。

在具體的實(shí)施過(guò)程中，公共地平面12設(shè)置在介質(zhì)基板a的頂面上，所述整流電路2設(shè)置在介質(zhì)基板a的底面上，第一饋電探針13、第二饋電探針14的另一端穿出公共地平面12、介質(zhì)基板a后分別與第一整流支路21、第二整流支路22的輸入端連接，所述第一饋電探針13、第二饋電探針14與介質(zhì)基板a連接，第一饋電探針13、第二饋電探針14與公共地平面12之間不進(jìn)行電氣連接；所述天線輻射片11設(shè)置在介質(zhì)基板b的頂面上，第一饋電探針13、第二饋電探針14的一端穿出公共地平面12、介質(zhì)基板b后與天線輻射片11電連接。

其中，介質(zhì)基板a充當(dāng)三個(gè)作用：1.磁場(chǎng)線返回參考面；2.反射平面；3.支撐天線輻射片11的支架。公共地平面12設(shè)計(jì)為正方形，尺寸在4mm*5mm*0.5mm到7mm*8mm*3.3mm范圍內(nèi)可調(diào)，且其面積比天線輻射片11的面積大。介質(zhì)基板a的尺寸可大于或等于公共地平面12的尺寸，優(yōu)選地，介質(zhì)基板a采用聚四氟乙烯材料制作。

在具體的實(shí)施過(guò)程中，天線輻射片11的橫向剖面呈圓形，天線輻射片11制作在一塊單面覆銅的介質(zhì)基板b上，圓心位置位于公共地平面12的場(chǎng)邊中軸線處，距離中心1-5cm可調(diào)，同時(shí)天線輻射片11的直徑在4cm-8cm可調(diào)，調(diào)節(jié)尺寸可改變天線輻射片11的諧振頻率，從而調(diào)整整流天線接收能量的頻率。本實(shí)施例中，介質(zhì)基板b的厚度為0.25mm，介電常數(shù)為2.55，損耗正切角為0.001。實(shí)際設(shè)計(jì)中介質(zhì)基板b的厚度在0.1mm-0.45mm之間可調(diào)，但為了減小基板的損耗，該介質(zhì)基板的厚度應(yīng)盡可能薄。而較薄的介質(zhì)基板b的硬度較低，容易因重力發(fā)生形變，因此在靠近天線輻射片11的邊沿引入支柱15。為不影響輻射性能，支柱15必須具備兩個(gè)特性：1.非導(dǎo)體介質(zhì)，可在多種材料中選擇，但在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮引入支柱15后帶來(lái)的影響，在本實(shí)例中，支柱15采用聚四氟乙烯材料制成；2.尺寸很小，可在0.5mm*0.5mm*0.5mm到2mm*2mm*3mm中選擇，在本實(shí)例中，支柱15的尺寸為1mm*1mm*1.5mm。支柱15的高度即為天線輻射片11與公共地平面12的縫隙寬度，這個(gè)縫隙由空氣介質(zhì)填充。引入空氣介質(zhì)能帶來(lái)高增益、高前后比等特性。

接收天線1中，第一饋電探針13、第二饋電探針14用于把接收的射頻能量傳輸?shù)秸麟娐?。第一饋電探針13、第二饋電探針14一般為圓柱體導(dǎo)體探針，直徑在0.5-1.5mm可選，在本實(shí)例中選用1.0mm直徑的圓柱體導(dǎo)體探針。在如圖3所示的結(jié)構(gòu)中，第一饋電探針13、第二饋電探針14不與公共地平面12之間產(chǎn)生電氣接觸，而直接與第一整流支路21、第二整流支路22的輸入端進(jìn)行電氣連接，從而把能量傳遞到第一整流支路21、第二整流支路22。

在具體的實(shí)施過(guò)程中，如圖4所示，第一整流支路21包括第一阻抗匹配電路211、第一諧波抑制器212、第一射頻整流二極管213和第一直通濾波器214；其中第一阻抗匹配電路211的輸入端與第一饋電探針13的另一端電連接，第一阻抗匹配電路211的輸出端與第一諧波抑制器212的輸入端、第一直通濾波器214的輸入端電連接，第一諧波抑制器212的輸出端與第一射頻整流二極管213的陽(yáng)極電連接，第一射頻整流二極管213的陰極與公共地平面12電連接；第一直通濾波器214的輸出端與負(fù)載3的一端電連接；所述第二整流支路22包括第二阻抗匹配電路221、第二諧波抑制器222、第二射頻整流二極管223和第二直通濾波器224；其中第二阻抗匹配電路221的輸入端與第二饋電探針14的另一端電連接，第二阻抗匹配電路221的輸出端與第二諧波抑制器222的輸入端、第二直通濾波器224的輸入端電連接，第二諧波抑制器222的輸出端與第二射頻整流二極管223的陰極電連接，第二射頻整流二極管223的陽(yáng)極與公共地平面12電連接；第二直通濾波器224的輸出端與負(fù)載3的另一端電連接。

上述方案中，第一整流支路21與第二整流支路22的工作原理相同，均如下：接收天線1接收的射頻能量通過(guò)饋電探針傳輸至整流支路的阻抗匹配電路用于匹配接收天線1與整流電路2的阻抗，從而使能量反射更小，系統(tǒng)能量接收效率更高。然后射頻能量經(jīng)過(guò)阻抗匹配電路傳輸至諧波抑制器、直通濾波器的輸入端處，由于直通濾波器會(huì)阻隔射頻基頻能量，防止其直接到達(dá)負(fù)載3影響負(fù)載3性能與系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，因此射頻能量只能夠通過(guò)諧波抑制器傳輸至射頻整流二極管處進(jìn)行整流處理，諧波抑制器阻隔由射頻整流二極管工作時(shí)產(chǎn)生的諧波分量，并使其反彈然后重新流經(jīng)整流二極管進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。射頻整流二極管整流產(chǎn)生的直流能量經(jīng)過(guò)諧波抑制器、直通濾波器后，輸出較為純凈的直流能量，供負(fù)載3使用。其中，第一整流支路21、第二整流支路22產(chǎn)生的直流能量極性相反，負(fù)載3的兩端加載極性相反的直流能量，得到的能量總和為極性相反的能量相加，從而提升整體效率。本實(shí)施例中，射頻整流二極管采用肖特基二極管，具有快速開(kāi)關(guān)、能耗小的特點(diǎn)，適用于無(wú)線能量傳輸應(yīng)用。

在具體的實(shí)施過(guò)程中，所述第一諧波抑制器212、第二諧波抑制器222均包括二次諧波扇形抑制器和三次諧波扇形抑制器；第一諧波抑制器212的二次諧波扇形抑制器、三次諧波扇形抑制器與第一阻抗匹配電路211、第一諧波抑制器212電連接；第二諧波抑制器222的二次諧波扇形抑制器、三次諧波扇形抑制器與第二阻抗匹配電路221、第二射頻整流二極管223連接。由于諧波分量中高于三次的諧波分量非常小，若引入濾波，帶來(lái)的插入損耗將比抑制諧波帶來(lái)的性能提升大，故不予考慮。同時(shí)，諧波抑制器帶有阻抗匹配功能，把諧波抑制器直接的輸入阻抗調(diào)節(jié)至50ohm，使輸入端能量更小反射地傳輸?shù)秸鞫O管，從而提高能量轉(zhuǎn)換效率。

在具體的實(shí)施過(guò)程中，第一阻抗匹配電路211、第二阻抗匹配電路221采用單支節(jié)開(kāi)路匹配。

采用這種實(shí)施方案的微帶整流天線，結(jié)構(gòu)緊湊，剖面面積小，可接受剖面內(nèi)360度方向的線極化波，并在-7到16dbm的輸入下維持60%的整流效率，最高在9dbm處達(dá)到75%整流效率。

顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。