CN101562359B - 高转换效率的圆极化整流天线 - Google Patents

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本发明涉及一种高转换效率的圆极化整流天线，它包括：微带接收天线和微带整流电路，微带接收天线和微带整流电路印刷在上下叠置的两层介质板上，构成三层金属层和两层介质层结构：顶层为方形金属贴片，构成微带接收天线，两层介质板间的中间层是蚀刻有十字槽的金属贴片，构成接地板，底层为金属贴片构成的微带馈线和微带整流电路。本发明具有结构简单、剖面小、造价低的特点，并且具有较高的射频能量到直流电的转换效率，可以有效解决如无线传感网络、射频识别等应用中的供能问题，以摆脱电池的束缚。

Description

高转换效率的圆极化整流天线
技术领域
本发明涉及无线能量传输领域中的一种微波能量的接收和转换装置，即整流天线，尤其涉及一种平面型印刷整流天线，用于将微波能量接收并转换成直流电。
背景技术
微波能量传输(MPT：Microwave Power Transmission)***利用微波在空气中传输损耗小的优点，通过自由空间将微波能量直接从发射端传输到接收端，经整流得到直流电能，实现能量的远距离无线传输。1899年美国的尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)博士最早提出微波输能概念。二十世纪五十年代开始，美国等西方国家开始进行MPT技术的研究，主要用于为解决能源危机的太阳能卫星计划、为临近空间作业的高空飞艇提供持续能量、为偏僻山区居民供电等等。由于MPT***整体转换效率不高，加上环境、生物安全等因素，MPT技术的大功率应用还处于研究阶段。
1990s以来，微***的研究得到了迅猛发展，而制约微***发展和走向实用化的瓶颈技术之一是能源供应问题。目前，火力发电厂、核电站、化工厂等要用到各种尺寸的金属管道供能或散热，管道的安全使用需要定期检测，由于其空间小、管道长，且多拐弯，人们选用管道机器人来完成。微机器人体积小、重量轻，从而限制了电池寿命，若用导线供电，则限制了其工作的自由度。MPT技术恰好可以弥补这些缺点，能够给管道机器人等微***提供便捷、稳定、长期的电能。
目前，电子设备不断向小型化和便携式发展，MPT技术在低功率应用领域展现出诱人的前景。射频识别(RFID：Radio Frequency IDentification)、应答器、无线传感器、遥感探测，以及其它移动式无线电子设备是无线输能的新兴应用领域，低功率电子设备的能量传输距离一般在数米、甚至数厘米范围内，这些电子设备一般需要具有任意工作时间和极长待机时间的功能。MPT技术能够满足这些要求，且不存在能源寿命问题，成为低功率电子设备能源的最佳方式。平面印刷整流天线易于与电子设备集成和共形，随着小型化电子设备迅速向实用化方向发展，无线输能技术引起人们极大兴趣。
整流天线要获得高射频-直流转换效率，首先要求接收天线为二极管提供足够高的入射功率，为了避免电磁波收发极化失配造成的能量中断，整流天线要求圆极化工作。所以需要接收天线具有高增益、圆极化、易集成的性能。印刷偶极子增益稍高于贴片天线，但是不容易实现圆极化，印刷双菱环可工作于圆极化，但是需要加反射板来提高增益。
这里提出的平面型高转换效率圆极化整流天线具有剖面小、易集成、易共形、勿需收发天线极化对准的优点。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种高转换效率的圆极化整流天线，可以有效地解决如无线传感网络、RFID等应用中的供能问题，以摆脱电池的束缚。该整流天线不仅有较高的射频到直流转换效率、结构简单、加工方便，而且易于组阵，适于大规模的应用。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案。
一种高转换效率的圆极化整流天线，包括微带接收天线和微带整流电路。其特征在于所述微带接收天线和微带整流电路印刷在上下叠置的两层介质板上，构成三层金属层和两层介质层结构：顶层为方形金属贴片，构成所述微带接收天线，两层介质板间的中间层是蚀刻有十字槽的金属贴片，构成接地板，底层为金属贴片构成的是微带馈线和微带整流电路。
上述十字槽位于所述方形金属贴片的正下方；所述微带馈线位于所述十字槽的正下方并平行于所述方形金属贴片的一条对角线，微带馈线与整流电路的输入端微带线相连；所述微带整流电路的结构是：输入T型微带枝节连接输出T型微带枝节，输入T型微带枝节与输出T型微带枝节连接处经一个整流二极管接地，输出T型微带枝节输出端经并联的电容和直流负载后接地。
上述微带馈线与微带整流电路的输入端微带线宽度相同，实现自然过度。
本发明将圆极化整流天线印刷在双层介质板上。目前共面波导馈电双菱环圆极化整流天线具有接近80％的整流效率，但是为了提高天线增益需加反射板，从而增大了纵向尺寸；微带线馈电切角方形圆极化整流天线结构简单，剖面小，但是只有50％左右的整流效率。本发明采用以下措施，在获得高整流效率的情况下，使整流天线具有低剖面、易集成、易共形、结构简单的优点。
1.双层介质板的中间金属层作为接收天线和整流电路的公共接地板；
2.十字槽耦合缝隙的长度、位置和方形贴片的尺寸确定接收天线的工作频率和圆极化特性；
3.天线的馈电方式采用微带线馈电，且通过缝隙耦合实现。
本发明通过双层介质板实现微带天线的高增益和较宽的工作频带，保证二极管得到足够的射频能量，以使整流电路具有高转换效率。天线的微带馈线与整流电路输入端微带线的宽度相同，设计为50欧姆。该整流天线具有结构简单、剖面小、造价低的特点，并且具有较高的射频能量到直流电的转换效率，可以有效解决如无线传感网络、射频识别等应用中的供能问题，以摆脱电池的束缚。
本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.微带接收天线是微带线馈电十字槽耦合双层介质微带贴片天线，与微带线整流电路实现自然过度。
2.圆极化工作通过十字槽和方形贴片来实现，只有一个馈电点，只需接一个整流电路；而普通圆极化天线有两个馈电点，需要接两个整流电路。
3.接收天线和整流电路分别置于不同介质层，大大减少整流电路对接收天线的影响。
4.双层结构微带天线比单层结构有较大的驻波比带宽和较高的增益。
5.本整流天线剖面小，易共形，易集成。
6.本整流天线具有圆极化特性，能够接收到任意极化的微波能量。
7.具有75％以上的高转换效率。
8.其微带线馈电方式，使得整流天线易于组阵，应用于大功率场合。
附图说明
图1是整流天线结构顶视图；
图2是整流天线侧视图；
图3是微带线馈电缝隙耦合圆极化天线结构示意图；
图4是整流电路结构示意图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：如图1和图2所示，本整流天线包括微带天线1和微带整流电路2。所述微带接收天线1和微带整流电路2印刷在上下叠置的两层介质板上，构成三层金属层和两层介质层结构：顶层为方形金属贴片，构成所述微带接收天线1，两层介质板间的中间层是蚀刻有十字槽3的金属贴片，构成接地板11，底层为金属贴片构成的是微带馈线4和整流电路2。微带馈线4宽度与微带整流电路2的输入端微带线宽度相同，实现自然过渡。工作于C波段。
接收天线单元包括微带接收天线1、十字槽耦合缝隙3、微带馈线4、两层介质板10和接地板11，如图3所示。所述微带接收天线1的中心点与十字槽交叉的中心点的连线与介质板10垂直，十字槽尺寸、微带馈线相对于十字槽的伸出长度的有效长度确定接收天线单元的工作频率和圆极化特性。微带接收天线1接收电磁波能量，通过十字槽3将电磁波能量耦合到微带馈线4。
微带整流电路2由输入T型微带枝节5、二极管6、输出T型微带枝节7、电容8和直流负载9组成，如图4所示。所述输入T型枝节5的输入端直接与微带馈线4相连接；二极管的正极焊接在两T型微带枝节5、7之间，负极接地；电容8和直流负载9的一侧焊接在输出T型微带枝节7的输出端，另一侧接地。从微带馈线4来的电磁波能量通过输入T型枝节5进入二极管6进行整流，直流能量和少量的微波能量经输出T型枝节7，到达电容8和直流负载9，这时直流电能被直流负载9所收集，电磁波的基波和高次谐波被反射回二极管6，再次整流。
本整流天线在C波段有75％的射频到直流的转换效率。

Claims (2)

1.一种高转换效率的圆极化整流天线，包括微带接收天线(1)和微带整流电路(2)，其特征在于所述微带接收天线(1)和微带整流电路(2)印刷在上下叠置的两层介质板上，构成三层金属层和两层介质层结构：顶层为方形金属贴片，构成所述微带接收天线(1)，两层介质板间的中间层是蚀刻有十字槽(3)的金属贴片，构成接地板(11)，底层为金属贴片构成的是微带馈线(4)和微带整流电路(2)；
所述十字槽(3)位于所述方形金属贴片正下方；所述微带馈线(4)位于所述十字槽(3)的正下方并平行于所述方形金属贴片的一条对角线，微带馈线(4)与微带整流电路(2)的输入端微带线相连；所述微带整流电路(2)的结构是：输入T型微带枝节(5)连接输出T型微带枝节(7)，输入T型微带枝节(5)与输出T型微带枝节(7)连接处经一个整流二极管(6)接地，输出T型微带枝节(7)输出端经并联的电容(8)和直流负载(9)后接地。
2.根据权利要求1所述的高转换效率圆极化整流天线，其特征在于所述微带馈线(4)与微带整流电路(2)的输入端微带线宽度相同，实现自然过渡。 
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