CN111342243B - 基于谐振结构的阻抗匹配可调的宽带整流天线 - Google Patents

基于谐振结构的阻抗匹配可调的宽带整流天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于谐振结构的匹配可调的宽带整流天线，包括接收天线和基于谐振结构可调枝节的整流电路；整流电路沿能量流动方向依次是前置电容、整流拓扑结构、匹配电路、输出滤波器和负载；谐振结构和匹配枝节串联后***到前置电容和整流拓扑结构之间；通过谐振结构不同频率下的阻抗变化，调节匹配枝节的阻抗，从而调节整流电路在整个宽带内每个频率下的的阻抗，包括整流电路阻抗的实部和虚部。本发明采用电感电容串并联谐振结构，随频率变化模拟可调开关器件的闭合或断开状态以及变容可调二极管的阻抗可调特性，将匹配枝节转化为可调的匹配枝节，使整流电路随着频率变化而改变阻抗，自适应地实现与接收天线良好的阻抗共轭匹配。

Description

基于谐振结构的阻抗匹配可调的宽带整流天线
技术领域
本发明涉及整流天线领域，特别是指基于谐振结构的阻抗匹配可调的宽带整流天线。
背景技术
微波输能，是指能量以微波的方式(射频能量)通过自由空间传输到接收端，并将接收到的射频能量转换为直流能量。其中，整流天线是微波输能***中重要的组成部分之一，它由接收天线和整流电路构成，将通过接收天线接收空间中的射频来波，并由后端的整流电路将其整流转换为直流能量。随着通信技术的发展，有许多射频发射装置，比如：信号塔、电视广播发射塔以及手机基站等，每时每刻都会发射各种频率的射频信号。比如，0.9GHz(LTE或GSM频段)，1.8GHz(GSM频段)和2.45GHz(WLAN频段)等。若能将自由空间中的这些频率信号能量接收下来，再转换为移动设备供能，对实现我国绿色低碳的能源战略具有重要意义。
目前，为了接收自由空间中各种频率的射频能量，许多宽频段(多频段)整流天线已经出现，采用各种宽带匹配技术，使接收天线与整流电路实现阻抗匹配。H.Sun,Y.-x.Guo和M.He等人在文献“A Dual-Band Rectenna Using Broadband Yagi Antenna Array forAmbient RF Power Harvesting”中提出的用宽带八木天线阵列和整流电路。该宽带八木整流天线可以在1.8-2.2GHz频段内实现50％的最高整流效率工作。为了实现宽带工作，整流天线具有两个匹配枝节，分别在1.84和2.14GHz下都能实现良好匹配。若需要在整个宽频段内都实现良好匹配，则需要整流天线有多个匹配支路，这样会造成整流天线尺寸庞大。C.Song等人在文献“A high efficiency broadband rectenna for ambient wirelessenergy harvesting，”中提出的宽带整流天线由宽带交叉偶极子天线和双支路整流电路。为了实现宽频段高效率整流，采用两个匹配枝节对倍压整流拓扑结构进行宽带阻抗匹配，从而提高整个整流电路在宽带中的整流转换效率及输出直流电压。但其也需要多个匹配枝节在不同频段下实现高效率地整流工作，造成尺寸庞大。为了小型化，P.LU等人在文献“Polarization Reconfigurable Broadband Rectenna With Tunable Matching Networkfor Microwave Power Transmission”中提出的多极化宽带整流天线，采用可重构技术，在5.1-6GHz实现线极化、双圆极化的整流工作。通过控制可调器件的状态，接收天线可实现多极化工作。同时，根据接收天线的不同模式，整流电路通过变容二极管调节自身的阻抗，实现电路与天线在不同模式下的良好匹配。但是，由于可调器件会引入损耗，导致整流天线的整流转换效率低。为了在宽带内实现高效率地整流转换效率，C.Song,Y.Huang等人在文献“Matching network elimination in Broadband Rectennas for High-EfficiencyWireless Power Transfer and Energy Harvesting,”中提出了一个高整流转换效率的宽带整流天线，它由非中心对称的偶极子天线和一普通的整流天线构成。由于偶极子天线的非中心对称结构，使接收天线在整个宽频段内输出阻抗很大，减少了整流电路与天线阻抗不匹配的影响，从而提高整流天线的效率。但是，这样增加了接收天线的设计难度，且整流电路与天线之间仍然未达到良好匹配，只是两者的不匹配对于天线的高输出阻抗影响不大。
发明内容
本发明的发明目的是基于谐振结构的频率特性，根据天线在不同频率下的阻抗变化，实现匹配枝节自适应可调，确保整流天线在宽频段内实现良好匹配。本发明提出的谐振结构可随着频率的变化来模拟可调器件(PIN开关和可变电容)的断开或闭合状态以及阻抗可调特性，在宽频带内随频率自适应地实现高整流转换效率，具有小型化、结构简单和易于集成等优点。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种基于谐振结构的阻抗匹配可调的宽带整流天线，包括接收天线1和基于谐振结构可调枝节的整流电路2；接收天线1和整流电路2在同一个或不同的接地介质基片上，接收天线1为宽带或多频天线，所述整流电路2沿能量流动方向依次是前置电容3、整流拓扑结构6、匹配电路7、输出滤波器8和负载9；谐振结构4和匹配枝节5串联后***到前置电容3和整流拓扑结构6之间；通过谐振结构4不同频率下的阻抗变化，调节匹配枝节5的阻抗，从而调节整个整流电路2的阻抗，调节的阻抗都包括实部和虚部。
作为优选方式，所述谐振结构4为电感和电容的串联和/或并联连接结构。
作为优选方式，所述谐振结构4中的电感与电容实现并联谐振和串联谐振其中至少一种。
作为优选方式，谐振结构4包括第一电感L1、第二电感L2、电容C1，所述第一电感L1和电容C1串联，再与第二电感L2并联。
作为优选方式，谐振结构4的电感与电容串联并联组成的电路结构可实现并联谐振或串联谐振，而在非谐振状态，谐振电路的阻抗随频率变化而变化；当电感与电容呈并联谐振状态，此时谐振电路阻抗无穷大，模拟可调开关的开路状态；当电感与电容呈串联谐振状态，电路阻抗为0Ω，模拟可调开关的短路状态；而电感和电容串并联结构实现串联谐振、并联谐振和非谐振，使谐振电路的阻抗为0Ω，无穷大或随频率可变，因此整个谐振电路随频率变化可模拟开关的闭合或断开状态以及变容可调二极管的阻抗可调特性。
作为优选方式，所述整流拓扑结构6包括整流二极管，整流拓扑结构为半波整流、或全波整流或桥式整流拓扑结构。
作为优选方式，接收天线1为微带贴片天线或波导天线，接收天线为任意极化模式。
作为优选方式，接收天线1为宽带接收天线，包括圆形单极子贴片、多节匹配馈电枝节和部分地结构，部分地结构上刻有一个矩形槽，多节匹配馈电枝节由三节匹配枝节串联而成，用于给圆形贴片馈电，并在宽带内实现良好的阻抗匹配。
所提出的基于谐振结构4的匹配枝节5不仅用于实现整流天线的良好匹配工作，也用于其他宽带天线与/或宽带电路的匹配工作。
所提出的谐振可调结构4不仅实现匹配枝节5的阻抗可调，还可以实现其他形式的匹配枝节可调，不局限于L形匹配枝节，也用于整流拓扑结构6的在宽带内的重构。
本发明不局限于宽带天线及宽带电路结构，还可广泛应用于频率可重构结构中，使谐振结构随频率变化模拟开关的开或断状态、以及变容二极管的可调特性。
本发明的有益效果为：本发明所设计的基于谐振结构的阻抗匹配可调的宽带整流天线与其他多频或宽带整流天线相比，在今后的微波输能中具有独特的优势。本发明采用电感电容串并联谐振结构，在宽带内模拟可调开关器件的闭合或断开状态以及阻抗可调特性，将匹配枝节转化为可调的匹配枝节，使整流电路随着频率变化改变阻抗，调节的阻抗包括实部和虚部，自适应地实现与接收天线的良好共轭匹配。由于谐振结构的频率特性，整流天线在整个宽频段内都能随频率自适应高效率地整流转换，具有小型化，调谐灵活和易于集成的优点。
附图说明
图1为本发明提出的结构示意图；
图2为实施例中提出的宽带接收天线的S参数。
图3为实施例中提出的宽带接收天线的阻抗图。
图4为的实施例中提出的谐振结构的频率特性；
图5为实施例中整流天线随频率变化的整流转换效率图。
其中，1为接收天线，2为整流电路；3为前置电容，4为谐振结构，5为匹配枝节，6为整流拓扑结构，7为匹配电路，8为输出滤波器，9为负载。
具体实施方式
一种基于谐振结构的阻抗匹配可调的宽带整流天线，包括接收天线1和基于谐振结构可调枝节的整流电路2；接收天线1和整流电路2在同一个或不同的接地介质基片上，接收天线1为宽带或多频天线，所述整流电路2沿能量流动方向依次是前置电容3、整流拓扑结构6、匹配电路7、输出滤波器8和负载9；谐振结构4和L型匹配枝节5串联后***到前置电容3和整流拓扑结构6之间；通过谐振结构4不同频率下的阻抗变化，调节L型可调匹配枝节的阻抗，从而调节整个整流电路2的阻抗，调节的阻抗都包括实部和虚部。
所述谐振结构4为电感和电容的串联和/或并联连接结构。
所述谐振结构4中的电感与电容实现并联谐振和串联谐振其中至少一种。
谐振结构4包括第一电感L1、第二电感L2、电容C1，所述第一电感L1和电容C1串联，再与第二电感L2并联。
谐振结构4的电感与电容串联并联组成的电路结构可实现并联谐振或串联谐振，而在非谐振状态，谐振电路的阻抗随频率变化而变化；当电感与电容呈并联谐振状态，此时谐振电路阻抗无穷大，模拟可调开关的开路状态；当电感与电容呈串联谐振状态，电路阻抗为0Ω，模拟可调开关的短路状态；而电感和电容串并联结构实现串联谐振、并联谐振和非谐振，使谐振电路阻抗为0Ω，无穷大或随频率可变，因此整个谐振电路随频率变化可模拟开关的闭合或断开状态以及变容可调二极管的阻抗可调特性。
所述整流拓扑结构6包括整流二极管，整流拓扑结构为半波整流、或全波整流或桥式整流拓扑结构。
接收天线1为微带贴片天线或波导天线，接收天线为任意极化模式。
本实施例中，基于谐振结构的匹配可调的宽带整流天线结构如图1所示，图中，黑色部分表示天线正面结构，浅灰色部分表示天线背面结构，该整流天线由宽频接收天线1和整流电路2构成。接收天线1采用的是宽带接收天线1，包括圆形单极子贴片，多节匹配馈电枝节和部分地结构。为了展宽工作带宽，部分地结构上刻有一个矩形小槽。多节匹配馈电枝节由三节匹配枝节串联而成，用于给圆形贴片馈电，并在宽带内实现良好的阻抗匹配。实施例所提出的接收天线1采用HFSS软件仿真，其S参数曲线如图2所示，接收天线1的工作频率为0.9GHz～3.7GHz，包括了0.9GHz(LTE或GSM频段)，1.8GHz(GSM频段)和2.45GHz(WLAN频段)频段。并且，接收天线在工作频率段的输出阻抗如图3所示。可以明显地看到，天线的输出阻抗随着频率的变化而变化。特别是，在整流天线的工作频率1.8GHz和2.75GHz处天线输出阻抗的虚部为0Ω，其中在1.8GHz附近，天线阻抗的虚部从电容特性变成了电感特性，而在2.75GHz附近，其虚部从电感特性变成了电容特性。
为了实现整流电路与天线的良好匹配，天线与整流电路的阻抗应互为共轭匹配。本发明采用基于谐振结构4的L型可调匹配枝节5，根据谐振结构的频率特性，灵活地调节整流电路和天线的阻抗匹配。本实施例中的谐振结构中有两个电感(L1和L2)和一电容(C1)。具体参数为L1＝1nH,C1＝3.3pF，此谐振结构的频率特性如图4所示。在1.8GHz，整个谐振结构呈并联谐振，阻抗突变，相当于开关的断开状态。在2.75GHz，电感L1与电容C1为串联谐振，相当于开关的闭合状态。而在0.9GHz～1.8GHz处，谐振结构的阻抗先是电感特性的，在1.8GHz并联谐振后，阻抗变成了电容特性。接着，随着频率继续增加，在1.8GHz～3.7GHz，其阻抗从电容特性逐渐变化到电感特性。在整个工作频段中(0.9GHz～3.7GHz)，此谐振结构，在非谐振处可相当于变容开关，其阻抗随频率变化而变化(阻抗可调)。可以发现，谐振结构的阻抗随频率变化趋势与天线的阻抗(虚部)变化趋势相似，但天线与谐振结构的阻抗值成共轭关系，可确保天线与电路可实现良好的共轭匹配。
整流电路由前置电容3，基于谐振结构4的L型可调匹配枝节5、并联HSMS 2850整流二极管6、匹配电路7、旁路电容作为输出滤波器8和220Ω负载9构成。当整流天线接收到1.8GHz的射频能量时，此时，接收天线的输出阻抗的虚部为0Ω，如图3所示。而整流电路中的谐振结构在此频率下则呈并联谐振状态(模拟开关断开状态)，使L型可调匹配枝节5脱离整流电路，只剩下整流主干路的匹配电路7。通过调节匹配电路7，整流电路与接收天线在此频率下实现了良好的共轭匹配。最后，接收天线接收到的射频能量，经过整流二极管高效率地转换成为直流能量，并经过旁路电容整形后，达到负载。此整流天线在1.8GHz频率，输入功率10dBm下实现了78％高效地整流转换。
当整流天线接收到2.75GHz的射频能量时，接收天线的输出阻抗的虚部为0Ω，而整流电路的谐振结构在此频率下呈串联谐振状态(模拟开关的闭合状态)。此时，L型可调匹配枝节5连接到整流电路中，成为一个匹配调谐枝节。通过调节L型可调匹配枝节5，整流电路与接收天线在此频率下(2.75GHz)实现了共轭匹配，使整流天线在输入功率10dBm下完成了76％地高效率整流工作。
在0.8～3.45GHz的其他频率下(除1.8和2.75GHz谐振频率外)，接收天线随着频率的增加，其输出阻抗的虚部在电感特性和电容特性之间来回变化，而整流电路中的谐振结构的阻抗特性，其虚部也随频率变化在电感特性和电容特性之间来回变化，但天线和谐振结构的阻抗虚部变化趋势相反，互为共轭。因此，通过引入谐振结构，接收天线与整流电路在整个工作带宽(0.8GHz～3.45GHz)下都可达到良好的共轭匹配，使整流天线在工作带宽中随频率变化自适应地实现高效率(>50％)地整流工作，如图5所示。
本发明提出的基于谐振结构的阻抗匹配可调的宽带整流天线，采用电容、电感串并联组成的谐振结构，使匹配枝节随着频率阻抗可调。由于谐振结构的频率特性，接收天线和整路在整个宽频段内实现了良好的共轭匹配，使整流天线在工作带宽内可随着频率变化自适应地获得高的整流转换效率(>50％)。本发明基于谐振结构的阻抗可调枝节，其谐振结构可模拟可调器件(开关或变容二极管)的断开或闭合状态以及阻抗可调特性，使匹配枝节变为可调匹配枝节，可免去额外的直流偏置电源，易于整流天线的一体化集成。本发明通过改变频率，整流天线自适应地实现各个频率下的共轭匹配。本发明不仅可用于实现L型可调匹配枝节5的重构，使整流天线在宽带下能实现良好匹配工作，还能用于整流拓扑结构6在宽带内的重构(在不同的频率下谐振结构模拟开关的开或断，改变整流拓扑结构，实现不同整流拓扑结构，包括半波整流、倍压整流等拓扑结构之间的切换)，在宽频段下实现高效率整流工作。本发明能广泛用于宽带天线、宽带电路及频率可重构结构中，利用谐振结构的频率特性，使谐振结构可模拟开关的闭合或断开状态、以及变容二极管的阻抗可调特性。本发明整体结构简单，调谐容易，易于小型化和一体化集成，并能很好地实现宽带工作。
以上结合附图对本发明的实施例进行了详细阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护。

Claims (4)

1.一种基于谐振结构的阻抗匹配可调的宽带整流天线，其特征在于：包括接收天线(1)和基于谐振结构可调枝节的整流电路(1)；接收天线(1)和整流电路(2)在同一个或不同的接地介质基片上，接收天线(1)为宽带或多频天线，所述整流电路(2)沿能量流动方向依次是前置电容(3)、整流拓扑结构(6)、匹配电路(7)、输出滤波器(8)和负载(9)；谐振结构(4)和匹配枝节(5)串联后***到前置电容(3)和整流拓扑结构(6)之间；通过谐振结构(4)不同频率下的阻抗变化，调节匹配枝节的阻抗，从而调节整个整流电路(2)的阻抗，调节的阻抗都包括实部和虚部；
谐振结构(4)包括第一电感L1、第二电感L2、电容C1，所述第一电感L1和电容C1串联，再与第二电感L2并联；谐振结构(4)的电感与电容串联并联组成的电路结构可实现并联谐振或串联谐振，而在非谐振状态，谐振电路的阻抗随频率变化而变化；当电感与电容呈并联谐振状态，此时谐振电路阻抗无穷大，模拟可调开关的开路状态；当电感与电容呈串联谐振状态，电路阻抗为0Ω，模拟可调开关的短路状态；而电感和电容串并联结构实现串联谐振、并联谐振和非谐振，使谐振电路的阻抗为0Ω，无穷大或随频率可变，因此整个谐振电路随频率变化模拟开关的闭合或断开状态以及变容可调二极管的阻抗可调特性。
2.根据权利要求1所述的基于谐振结构的阻抗匹配可调的宽带整流天线，其特征在于：所述整流拓扑结构(6)包括整流二极管，整流拓扑结构为半波整流、或全波整流或桥式整流拓扑结构。
3.根据权利要求1所述的基于谐振结构的阻抗匹配可调的宽带整流天线，其特征在于：接收天线(1)为微带贴片天线或波导天线，接收天线为任意极化模式。
4.根据权利要求1所述的基于谐振结构的阻抗匹配可调的宽带整流天线，其特征在于：接收天线(1)为宽带接收天线，包括圆形单极子贴片、多节匹配馈电枝节和部分地结构，部分地结构上刻有一个矩形槽，多节匹配馈电枝节由三节匹配枝节串联而成，用于给圆形贴片馈电，并在宽带内实现良好的阻抗匹配。
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Ping Lu 等.Polarization Reconfigurable Broadband Rectenna With Tunable Matching Network for Microwave Power Transmission.《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》.2016,第64卷(第3期),第1136-1141页. *
Polarization Reconfigurable Broadband Rectenna With Tunable Matching Network for Microwave Power Transmission;Ping Lu 等;《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》;20160114;第64卷(第3期);第1136-1141页 *

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