CN107611617B - 一种基于基片集成波导的电调谐整流天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波输能技术领域，提供一种基于基片集成波导的电调谐整流天线，由电调谐接收天线、电调谐匹配电路及一阶倍压整流电路构成。其中，电调谐接收天线由圆形四分之一模基片集成波导谐振腔、变容二极管、电感、电容、加电线、接地焊盘构成，该谐振腔由中间介质基板、上层辐射金属片、下层带有弧形槽的金属地板、金属化通孔阵列构成；电调谐匹配电路由阻抗变换枝节、短路枝节、变容二极管、金属焊盘、电感、电容、加电线、接地焊盘构成；一阶倍压整流电路由电容、整流二极管、负载电阻、金属焊盘、接地焊盘构成。本发明具有较宽频率调谐范围、同时满足双模激励、实现线极化和圆极化两种极化方式的圆形四分之一模基片集成波导整流天线。

Description

一种基于基片集成波导的电调谐整流天线
技术领域
本发明属于微波输能技术领域，具体涉及一种基于基片集成波导的电调谐整流天线。
背景技术
近年来，随着无线通信技术的持续发展，以及物联网、无线传感网络、射频识别标签和可穿戴及植入式电子等低功耗设备的不断涌现，更为环保、生命周期长的微波输能技术受到了人们越来越多的关注。微波输能，其具备远距离传输微波能量的能力，在无线功率传输***中扮演着相当重要的角色；而微波输能***的核心就是整流天线，它的作用是收集输入的微波能量，并将其转换成直流能。
为适应不同的工作频段和工作***，人们对性能优良的高速电调谐整流天线的需求逐渐增加；电调谐整流天线由于其具有频率捷变的特性，已经变得越来越重要。为满足电子***小型化的要求，采用可调匹配网络进行天线阻抗匹配，可使电路在多个工作频段内能有效的传输最大功率和降低损耗，简化了电路，同时降低了尺寸和成本。基片集成波导是一种在介质基片上实现类似于金属矩形波导传输特性的导波结构，引入该结构，可使天线具有结构简单、增益高、剖面低、易于集成等优点。而四分之一模基片集成波导具有和全模基片集成波导相同的特性，但其整体尺寸缩减为原来的四分之一，具有小型化的作用。另外，四分之一模基片集成波导在双模，双极化的实现上具有先天的优势。因此，对基于四分之一模基片集成波导的电调谐整流天线的研究设计具有十分现实的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于基片集成波导的电调谐整流天线，具有较宽频率调谐范围、同时满足双模激励、实现线极化和圆极化两种极化方式的圆形四分之一模基片集成波导整流天线。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于基片集成波导的电调谐整流天线，由电调谐接收天线、电调谐匹配电路及一阶倍压整流电路构成；其特征在于，
所述电调谐接收天线包括由中间介质基板(1)、上层四分之一圆形辐射金属片(2、3)、下层带有弧形槽(4)的金属地板、贯穿中间介质基板(1)并连通上下两层的金属化通孔阵列(5)构成的圆形四分之一模基片集成波导谐振腔体和由第一变容二极管(6)、第二变容二极管(7)、第三变容二极管(8)、第一扼流电感(10)、第一电源滤波电容(11)、第一加电线(12)、第一接地焊盘(9)、第二接地焊盘(13)、第三接地焊盘(14)构成的接收天线谐振频率电调谐网络；其中，上层四分之一圆形辐射金属片包括四分之一圆形辐射金属片(2) 和位于四分之一圆形辐射金属片圆心位置的方形辐射金属片(3)；第一变容二极管(6)和第二变容二极管(7)跨接在四分之一圆形辐射金属片(2)和方形辐射金属片(3)之间，第三变容二极管(8)跨接在方形辐射金属片(3)和第一接地焊盘(9)之间，第一变容二极管(6)、第二变容二极管(7)、第三变容二极管(8)的阴极均放在方形辐射金属片(3)上；方形辐射金属片(3)通过第一扼流电感(10)与第一加电线(12)连接，第一电源滤波电容(11) 跨接于第一加电线(12)与第二接地焊盘(13)之间，第三接地焊盘(14)用于接地；
所述电调谐匹配电路包括第一阻抗变换枝节(23)、第二阻抗变换枝节(25)、短路枝节 (24)、第四变容二极管(21)、第五变容二极管(22)、第一金属焊盘(20)、第二扼流电感(15)、第二电源滤波电容(16)、第二加电线(17)、第四接地焊盘(18)、第五接地焊盘(1 9)；其中，第四变容二极管(21)与第五变容二极管(22)并联跨接在第一阻抗变换枝节(2 3)和第一金属焊盘(20)之间，第四变容二极管(21)、第五变容二极管(22)的阴极放在第一金属焊盘(20)上、阳极放在阻抗变换枝节(23)上；第一金属焊盘(20)通过第二扼流电感(15)与第二加电线(17)相连；第二电源滤波电容(16)跨接在第二加电线(17) 与第四接地焊盘(18)之间；第一阻抗变换枝节(23)连接四分之一圆形辐射金属片(2)，第二阻抗变换枝节(25)与短路枝节(24)连接第一阻抗变换枝节(23)，第五接地焊盘(1 9)用于接地；
所述一阶倍压整流电路包括隔直储能电容(26)、滤波储能电容(30)、第一整流二极管 (27)、第二整流二极管(29)、负载电阻(32)、第二金属焊盘(28)、第三金属焊盘(31)、第六接地焊盘(33)；其中，隔直储能电容(26)跨接于第二阻抗变换枝节(25)与第二金属焊盘(28)之间，第一整流二极管(27)跨接于第二金属焊盘(28)与第六接地焊盘(33) 之间，第二整流二极管(29)跨接于第二金属焊盘(28)与第三金属焊盘(31)之间，滤波储能电容(30)与负载电阻(32)并联跨接于第三金属焊盘(31)与第六接地焊盘(33)之间。
进一步的，所述短路枝节(24)的末端通过金属化接地孔与下层金属地板相连。
进一步的，所述第一扼流电感(10)、第二扼流电感(15)采用适用于高频的电感器，所述隔直储能电容(26)、滤波储能电容(30)采用适用于高频的电容器。
所述第一整流二极管(27)、第二整流二极管(29)采用肖特基二极管；所述第一变容二极管(6)、第二变容二极管(7)、第三变容二极管(8)、第四变容二极管(21)、第五变容二极管(22)应选用串联寄生电阻较小的变容二极管。
本发明的有益效果在于：
本发明通过在四分之一模基片集成波导腔体上层辐射体的最大电场位置处以及在匹配电路的输入端加载容性的变容二极管，引入电调谐网络，可确保整流天线具有较宽的调谐范围。
本发明通过在四分之一模基片集成波导腔体上层辐射体的一角进行馈电，可同时激励起 TE101和TE202两种模式的电磁波，当对该整流天线进行电调谐时，TE101和TE202两种模式的谐振点能同时被调谐；另外，整流天线的辐射发生在上层辐射体的两开路边缘，由于50 欧姆馈电线的存在，上层辐射体的对称性被打破，所以理想对称下的TE202模式就被分解为两个非常接近的谐振点，在一定程度上展宽了TE202模式所对应的频段。
本发明通过在四分之一模基片集成波导腔体上层辐射体的一角进行馈电，并调节上层辐射体的两开路边缘的长度，能使TE202模式的电磁波满足幅度相等、相位相差90度的条件，从而在远场形成圆极化波，而TE101模式的电磁波在远场形成线极化波。
本发明同时集宽调谐范围、双模、双极化方式于一身，可使天线具备在不同频段以及复杂的电磁环境的条件下良好工作的能力。
本发明通过将50欧姆馈电线放在四分之一模基片集成波导腔体上层辐射体的一角，可有效抑制反射波和杂波。
本发明通过选择性能优良的介质基板材料，可有效的增强边缘辐射场，提高辐射效率。
本发明通过采用圆形四分之一模基片集成波导结构，由于边缘辐射场的存在，使得接收天线的尺寸比全模基片集成波导的四分之一还要小，这大幅缩减了接收天线的尺寸，另外通过在腔体背面开弧形槽，可进一步缩减接收天线的尺寸。
本发明由于采用了基片集成波导技术，整流天线具有损耗低、增益高、剖面低等优点。
本发明采用一阶倍压整流电路拓扑结构，损耗较小，同时提高了直流输出电压。
本发明的整流天线整体制作在同一介质基片上，适合用印刷电路技术大批量生产，成本低。
附图说明
图1为本发明整流天线的俯视图。
图2为本发明整流天线的左视图。
图3为本发明整流天线的底部示意图。
具体实施方式
下面结合实施实例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
本实施例提供一种基于基片集成波导的电调谐整流天线，其结构如图1、图2、图3所示，本实例中所用的中间介质基板为Rogers RT5880，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为1.6mm。第一变容二极管(6)、第二变容二极管(7)、第三变容二极管(8)、第四变容二极管(21)、第五变容二极管(22)的型号为SMV2019，第一整流二极管(27)、第二整流二极管(29)采用的是型号为HSMS2860；第一扼流电感(10)和第二扼流电感(15)均为56nH，第一电源滤波电容(11)和第二电源滤波电容(16)均为1uF，隔直储能电容(26) 和滤波储能电容(30)均为100nF；负载电阻(32)为3K。
上述整流天线的TE101模式能实现1.84-2.6GHz范围内的调谐，TE202模式能实现3.37- 4.71GHz范围内的调谐。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，用于帮助技术人员理解本发明的原理，本发明的保护范围不局限在这样的特殊实例，本领域的技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明的其它各种变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (3)

1.一种基于基片集成波导的电调谐整流天线，由电调谐接收天线、电调谐匹配电路及一阶倍压整流电路构成；其特征在于，
所述电调谐接收天线包括由中间介质基板(1)、上层四分之一圆形辐射金属片(2、3)、下层带有弧形槽(4)的金属地板、贯穿中间介质基板(1)并连通上下两层的金属化通孔阵列(5)构成的圆形四分之一模基片集成波导谐振腔体和由第一变容二极管(6)、第二变容二极管(7)、第三变容二极管(8)、第一扼流电感(10)、第一电源滤波电容(11)、第一加电线(12)、第一接地焊盘(9)、第二接地焊盘(13)、第三接地焊盘(14)构成的接收天线谐振频率电调谐网络；其中，上层四分之一圆形辐射金属片包括四分之一圆形辐射金属片(2)和位于四分之一圆形辐射金属片圆心位置的方形辐射金属片(3)；第一变容二极管(6)和第二变容二极管(7)跨接在四分之一圆形辐射金属片(2)和方形辐射金属片(3)之间，第三变容二极管(8)跨接在方形辐射金属片(3)和第一接地焊盘(9)之间，第一变容二极管(6)、第二变容二极管(7)、第三变容二极管(8)的阴极均放在方形辐射金属片(3)上；方形辐射金属片(3)通过第一扼流电感(10)与第一加电线(12)连接，第一电源滤波电容(11)跨接于第一加电线(12)与第二接地焊盘(13)之间，第三接地焊盘(14)用于接地；
所述电调谐匹配电路包括第一阻抗变换枝节(23)、第二阻抗变换枝节(25)、短路枝节(24)、第四变容二极管(21)、第五变容二极管(22)、第一金属焊盘(20)、第二扼流电感(15)、第二电源滤波电容(16)、第二加电线(17)、第四接地焊盘(18)、第五接地焊盘(19)；其中，第四变容二极管(21)与第五变容二极管(22)并联跨接在第一阻抗变换枝节(23)和第一金属焊盘(20)之间，第四变容二极管(21)、第五变容二极管(22)的阴极放在第一金属焊盘(20)上、阳极放在阻抗变换枝节(23)上；第一金属焊盘(20)通过第二扼流电感(15)与第二加电线(17)相连；第二电源滤波电容(16)跨接在第二加电线(17)与第四接地焊盘(18)之间；第一阻抗变换枝节(23)连接四分之一圆形辐射金属片(2)，第二阻抗变换枝节(25)与短路枝节(24)连接第一阻抗变换枝节(23)，第五接地焊盘(19)用于接地；
所述一阶倍压整流电路包括隔直储能电容(26)、滤波储能电容(30)、第一整流二极管(27)、第二整流二极管(29)、负载电阻(32)、第二金属焊盘(28)、第三金属焊盘(31)、第六接地焊盘(33)；其中，隔直储能电容(26)跨接于第二阻抗变换枝节(25)与第二金属焊盘(28)之间，第一整流二极管(27)跨接于第二金属焊盘(28)与第六接地焊盘(33)之间，第二整流二极管(29)跨接于第二金属焊盘(28)与第三金属焊盘(31)之间，滤波储能电容(30)与负载电阻(32)并联跨接于第三金属焊盘(31)与第六接地焊盘(33)之间。
2.按权利要求1所述基于基片集成波导的电调谐整流天线，其特征在于，所述短路枝节(24)的末端通过金属化接地孔与下层金属地板相连。
3.按权利要求1所述基于基片集成波导的电调谐整流天线，其特征在于，所述第一扼流电感(10)、第二扼流电感(15)采用适用于高频的电感器，所述隔直储能电容(26)、滤波储能电容(30)采用适用于高频的电容器；所述第一整流二极管(27)、第二整流二极管(29)采用肖特基二极管。
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