CN104467201A - 一种小型化无线网络输电接收单元 - Google Patents

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张海光
梁西铭
张佳
郭卫展
张骅
张琦
许奎
尤浩
盛晓佳
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    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
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Abstract

本发明提供了一种小型化无线网络输电接收单元，包括小型化接收天线和高效整流电路，用于接收微波能量并将其转换为直流电。接收天线采用微带天线的基本形式，贴片边缘利用分形理论有效地缩减了天线尺寸。高效整流电路包括低通滤波器、阻抗匹配电路、倍压整流电路和直流输出。通过射频线缆将小型化接收天线与高效整流电路连接起来实现整个单元的接收整流功能。采用本实施方法小型化无线网络输电接收单元其能量转换效率可达80％，接收天线采用本发明的结构尺寸较普通微带天线可以减小50％。该接收单元性能优良、可靠性高、易于组阵，可应用于无人机、飞艇等空中输能，具有广阔的应用前景。

Description

一种小型化无线网络输电接收单元
技术领域
本发明涉及微波能量传输领域中的一种接收单元，具体为一种小型化平面接收天线及整流单元，用于接收微波能量并将其转换为直流电。
背景技术
进入二十世纪后，能源危机加速了世界对新能源开发的进程。在众多新能源中，太阳能由于其具有诸多优点而备受关注。通常在地面上的太阳能电池板由于日落的原因，每天只能有效工作10小时左右。为了充分的利用太阳能，将数公里的太阳能电池板阵建立在太空从而不受日落的影响，采用微波能量传输(MPT)的手段将太空中的太阳能传送至地面，地面接收端负责接收微波能量并将其转化为直流电，从而实现能量的远距离无线传输。
接收端由接收天线和整流电路组成，由于频率为2.45GHz的微波在自由空间传输时的损耗最小，所以目前大部分的整流天线均工作在该频段。1970年无线输电的先驱W.C.Brown用铝条做半波偶极子和传输线，采用肖特基势垒二极管和桥式整流方式，在频率为2.45GHz时，获得了76％的整流效率。1987年加拿大成功地让翼幅为4.5米的飞机在微波功率的驱动下，在低空飞行了20分钟。
早期微波能量传输***接收天线一般采用抛物面或喇叭天线，采用这种天线体积重量大、制作成本太高。此后采用铝条半波偶极子的天线形式一定程度上降低了天线的体积和重量，但是仍难满足目前的需求。随着微***研究的不断深入，电子设备正在向小型化、便携式的方向发展，采用平面印刷制作的整流接收单元具有剖面低、易集成、制作成本低等优点，但是普通微带天线的尺寸依然不能满足微***的需求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种小型化接收整流单元，可以有效的减小接收天线的体积，同时易于集成，方便组阵。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括小型化接收天线、射频线缆和高效整流电路。
所述小型化接收天线制作在双面覆铜板上，双面覆铜板的顶面为辐射贴片，辐射贴片边缘为二阶Koch曲线结构；双面覆铜板的底面为接地面；采用侧馈形式馈电；
所述的高效整流电路制作在另一块双面覆铜板上，顶面包括串接的低通滤波器、阻抗匹配电路、倍压整流电路和直流负载，底面为接地面；低通滤波器抑制微波信号中的高次谐波，使基波无损耗的通过，防止谐波回流；阻抗匹配电路实现小型化接收天线与倍压整流电路的整流二极管之间的匹配；倍压整流电路将微波信号经整流二极管和电容震荡后产生直流电压，经由直流负载输出；
所述的小型化接收天线和高效整流电路使用射频线缆连接起来。
所述低通滤波器为巴特沃斯滤波器。
所述阻抗匹配电路为四分之一波长阻抗变换器，设计并联开路枝节，实现接收天线和滤波整流电路的阻抗匹配。
所述倍压整流电路主要利用了整流二极管的单向导通和非线性特性，将微波能量转换成直流能量。
所述小型化接收天线的双面覆铜板介电常数为3.5，厚度为0.5mm。
所述高效整流电路的双面覆铜板介电常数为2.55，厚度为1.5mm。
本发明的有益效果是：
1、天线体积小、剖面低、制作成本低、易于集成。
2、采用多管倍压整流提取出的直流功率高。
3、接收天线和高效整流电路分开设计，采用SMA同轴线连接，拆装方便更易于大规模组阵。
附图说明
图1是小型化接收天线示意图；
图2是小型化接收天线背面示意图；
图3是高效整流电路示意图；
图4是倍压整流电路和直流输出示意图；
图5是高效整流电路背面示意图；
图6是射频线缆示意图；
图7是整个小型化无线网络输电接收单元示意图；
图8是小型化接收天线实测驻波图；
图9是高效整流电路输入功率S11仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明包括小型化接收天线、射频线缆和高效整流电路。
所述的小型化接收天线和高效整流电路分别用印刷电路印制在不同的介质基片上，二者使用射频线缆连接起来。
所述小型化接收天线制作在双面覆铜板上，顶面为辐射贴片，底面整个为接地面；天线采用侧馈的馈电形式，通过调整馈电点的位置实现天线的阻抗匹配。天线的工作频率为2.45GHz，介质基片的介电常数为3.5，厚度为0.5mm。传统侧馈微带天线的辐射基本是由两开路边缘场引起的，贴片的尺寸一般取λg/2，尺寸较大。根据Koch分形天线基本理论将贴片边缘设计成二阶Koch曲线结构实现天线的小型化。
所述的高效整流电路包括低通滤波器、阻抗匹配电路、倍压整流电路和直流输出。低通滤波器用来抑制整流过程中所产生的高次谐波，使基波无损耗的通过，防止谐波回流到天线；阻抗匹配电路实现接收天线与倍压整流电路的整流二极管之间的匹配，使最终获得的直流功率最大化；倍压整流电路通过将微波信号经整流二极管和电容震荡后产生直流电压；直流负载将直流电流转化为电压输出。
所述低通滤波器为巴特沃斯滤波器，其通频带的频率响应曲线最平滑，基本没有起伏，在阻频带逐渐下降为零。
所述阻抗匹配电路为λg/4阻抗变换器同时设计并联开路枝节实现接收天线和滤波整流电路的阻抗匹配，以保证提取出最大的直流功率。
所述倍压整流电路主要利用了整流二极管的单向导通和非线性特性，将微波能量转换成直流能量。
所述高效整流电路制作在双面覆铜板上，正面为整流电路背面整个为接地面。介质基片介电常数为2.55，厚度为1.5mm。
本发明的实施例如图7所示，由小型化接收天线1、射频线缆2、高效整流电路3组成。
小型化接收天线1制作在双面覆铜介电常数3.5厚度0.5mm的板材上，板材顶面为采用二阶Koch分形结构的辐射贴片4，底面整个为第一接地面5，利用分形结构的自相似性同时改变了辐射贴片4表面的电流分布使之呈现出曲流分布，有效增加了辐射贴片4的辐射面积，达到缩减天线尺寸的目的。小型化接收天线1采用侧馈的馈电形式，第一SMA射频接头6的芯线直接和微带馈线相连，外导体焊接在接地面5上。
高效整流电路3制作在双面覆铜介电常数2.55厚度1.5mm的板材上，板材顶面为印刷高效整流电路3，底面整个为第二接地面7。
高效整流电路3包括低通滤波器8、阻抗匹配电路9、倍压整流电路10和直流输出11。低通滤波器8为巴特沃斯滤波器，其通频带的频率响应曲线最平滑，基本没有起伏，在阻频带逐渐下降为零，第二SMA射频接头12直接和低通滤波器8的输入端相连接，外导体焊接在第二接地面7上。阻抗匹配电路9为λg/4阻抗变换器同时设计并联开路枝节13实现接收天线和滤波整流电路的阻抗匹配。倍压整流电路10由第一整流二极管对101、第二整流二极管对102和第一耦合电容103、第二耦合电容104、第三耦合电容105、第四耦合电容106组成，第一耦合电容103和第二耦合电容104跨接在微波能量通路上，起到隔直通交的作用，第一整流二极管对101由两个二极管串联组成，串联二极管的正负极连接处与第一耦合电容103相连，其串联的正端接地，其负端通过第四耦合电容106接地，消除纹波，减小负载端的改变对整流电路性能的影响；第二整流二极管对102的正负极连接处与第二耦合电容104相连，其串联的正端通过第四耦合电容106接地，负端通过直流输出11接地，第三耦合电容105跨接至第二整流二极管对102的正负端，起到能量耦合的作用。直流输出11将电流转化为直流电压输出。
射频线缆2两端均为SMA型接头，一端连接第一SMA射频接头6另一端连接第二SMA射频接头12，实现整个接收整流输出的功能
采用本实施方法小型化无线网络输电接收单元其能量转换效率可达80％，接收天线采用本发明的结构尺寸较普通微带天线可以减小50％。该接收单元性能优良、可靠性高、易于组阵，可应用于无人机、飞艇等空中输能，具有广阔的应用前景。

Claims (6)

1.一种小型化无线网络输电接收单元，包括小型化接收天线、射频线缆和高效整流电路，其特征在于：所述小型化接收天线制作在双面覆铜板上，双面覆铜板的顶面为辐射贴片，辐射贴片边缘为二阶Koch曲线结构；双面覆铜板的底面为接地面；采用侧馈形式馈电；所述的高效整流电路制作在另一块双面覆铜板上，顶面包括串接的低通滤波器、阻抗匹配电路、倍压整流电路和直流负载，底面为接地面；低通滤波器抑制微波信号中的高次谐波，使基波无损耗的通过，防止谐波回流；阻抗匹配电路实现小型化接收天线与倍压整流电路的整流二极管之间的匹配；倍压整流电路将微波信号经整流二极管和电容震荡后产生直流电压，经由直流负载输出；所述的小型化接收天线和高效整流电路使用射频线缆连接起来。
2.根据权利要求1所述的小型化无线网络输电接收单元，其特征在于：所述低通滤波器为巴特沃斯滤波器。
3.根据权利要求1所述的小型化无线网络输电接收单元，其特征在于：所述阻抗匹配电路为四分之一波长阻抗变换器，设计并联开路枝节，实现接收天线和滤波整流电路的阻抗匹配。
4.根据权利要求1所述的小型化无线网络输电接收单元，其特征在于：所述倍压整流电路主要利用了整流二极管的单向导通和非线性特性，将微波能量转换成直流能量。
5.根据权利要求1所述的小型化无线网络输电接收单元，其特征在于：所述小型化接收天线的双面覆铜板介电常数为3.5，厚度为0.5mm。
6.根据权利要求1所述的小型化无线网络输电接收单元，其特征在于：所述高效整流电路的双面覆铜板介电常数为2.55，厚度为1.5mm。
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