CN111653874A - 一种具有谐波抑制功能的射频能量收集天线及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有谐波抑制功能的射频能量收集天线及其制作方法。制作方法是使用HFSS软件在宽带天线的基础上进行天线仿真设计，通过多次调节宽带天线上与高次谐波相对应枝节长度，使相应高次谐波产生抑制，从而形成所需要的陷波天线。整流天线主要有陷波天线和整流电路组成，介质基板上下两面的金属结构是天线辐射单元，辐射单元是由上下相互平行的交叉枝节组成。本发明是一款能够提高能量收集效率和电压稳定输出的整流天线。

Description

一种具有谐波抑制功能的射频能量收集天线及其制作方法
技术领域
本发明涉及微波技术与天线技术领域，具体说是一种具有谐波抑制功能的射频能量收集天线及其制作方法。
背景技术
射频能量收集技术最早可以追溯到19世纪80年代赫兹验证电磁波存在的实验中；现代该技术起源20世纪50年代，随后1969年William Brown设计的微波能量传输作为直升机的电源。射频能量收集技术是在无线能量传输基础上发展而来，两者均采用整流天线将射频能量转化为直流电源的过程。射频能量收集技术主要是将环境中的射频能量收集后转换为直流电源的过程，供给对应电子设备使用。未来该技术既可以解决智能设备如低功率无线传感器、可穿戴产品等电池持续供电的技术难题，也可以为随之而来的物联网技术如智能家居、生物医疗等设备因电池体积小、使用寿命短、维护成本高等短板问题提供小型化、便捷化电源供电装置。目前的射频能量收集技术中整流电路中二极管的非线性特性，会在整流过程中产生高次谐波的问题，从而会降低整流效率。因此本专利提出一种具有提高能量收集效率和电压稳定输出的整流天线，相比其他整流天线，该天线在提高效率的同时又简化整个能量收集***的结构。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术中的不足，提供一种具有谐波抑制功能的射频能量收集天线。
本发明的另一目的是提供一种具有谐波抑制功能的射频能量收集天线制作方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种具有谐波抑制功能的射频能量收集天线制作方法，包括一下具体步骤：
步骤1，确定天线辐射单元的初步形状结构和尺寸。
步骤2，对步骤1的天线辐射单元的初步形状结构和尺寸进行优化。
步骤3，通过多次调整宽带天线的尺寸，使宽带天线对对应高次谐波频率点产生抑制，得到具有谐波抑制功能天线的形状结构和尺寸。
步骤4，根据步骤3得到的尺寸，将天线辐射单元印制到介质基板上，得到陷波天线，将陷波天线连接整流电路，得到陷波整流天线，即具有谐波抑制功能的射频能量收集天线。
本发明进一步的设计方案中，步骤1中天线辐射单元为对数周期天线，天线各参数关系式为：
Figure RE-RE-GDA0002611589880000021
其中，Ln是天线枝节长度，dn是天线两枝节间距，Rn天线枝节到顶角垂直距离，τ比例因子、θ为间隔因子、α为所成角度。
本发明进一步的设计方案中，步骤3中宽带天线调整步骤为：
首先，在宽带天线基础上，将二次谐波、三次谐波和四次谐波都进行抑制，得到高次频段都抑制无陷波功能的一号天线。
其次，在一号天线基础上，调节天线枝节长度，使在三次谐波和四次谐波之间产生陷波，得到二号天线。
其三，在二号天线基础上，调节天线枝节长度，使在二次谐波和三次谐波之间产生陷波，得到三号天线。
其四，在三号天线基础上，调节天线枝节长度，使二次谐波和三次谐波的频点|S11|大于 -5dB，使其抑制进一步得到加强，得到四号天线，即具有谐波抑制功能的陷波天线。
本发明进一步的设计方案中，所述二次谐波的频率为4.9GHz、三次谐波的频率为7.35GHz，四次谐波的频率为9.8GHz。
一种具有谐波抑制功能的射频能量收集天线，包括一块介质基板和整流电路，所述介质基板的正反面都设有辐射单元，其特征在于，所述辐射单元的结构为对数周期结构，包括中间金属条和上下平行的对称枝节，且正反面的枝节间隔对称交叉设置，所述辐射单元的尺寸通过上述方法进行确定，所述介质基板上的辐射单元与所述整流电路连接。
本发明进一步的设计方案中，上述介质基板为Rogers Ro4350、厚度为1.524mm、介电常数为3.66、损耗角正切为0.004。
本发明具有以下突出的有益效果：
(1)与传统接收天线相比，结构清晰简单，易于加工，通过调节天线枝节长度，可以方便的实现对应高次谐波频点的抑制。抑制高次谐波，能够有效将天线采集到的射频能量限制在整流电路中，进行整流，而不是通过天线向外辐射。同时在整流电路后端加载稳压输出电路，促使整流输出的电压稳定输出。
(2)本发明在对数周期天线基础上进行优化设计，使其更加小型化，接收天线体积较小使其能量收集***更加小型化，和现代无线通信***中对于电子设备小型化要求相匹配。
(3)该整流天线在提高射频能量收集***的效率同时，免去后端整流电路中滤波电路的加载，从而简化了***结构。
附图说明
图1是实施例中对数周期天线基本参数简化结构示意图；
图2是实施例中宽带天线正视图；
图3是实施例中宽带天线侧视图；
图4是实施例中一号天线和宽带天线S参数变化图；
图5是实施例中一号号天线和二号号天线仿真S参数变化图；
图6是实施例中二号号天线和三号号天线仿真S参数变化图；
图7是实施例中三号天线和四号天线仿真S参数变化图；
图8是实施例中整流电路结构示意图；
图9是实施例中整流电路原理图；
图10是实施例中陷波整流电路与宽带整流电路能量收集效率对比图；
图11射频能量收集***流程图；
图中，1-陷波天线，2-整流电路，3-上辐射单元，4-下辐射单元，5-中间金属条，6-枝节 7-介质基板。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例
本发明的方法可以为各种宽带天线优化设计成具有谐波抑制功能的陷波天线，提供一种可以解决问题的方案，本实施例以对数周期天线为基础进行优化设计，介绍具有谐波抑制功能的射频能量收集天线制作方法，相对其他天线，对数周期天线结构简单，易于加工，便于用简单的天线实现较为复杂的功能。
图1是对数周期天线基本参数简化结构示意图，其中Ln是天线枝节长度，dn是天线两枝节间距，Rn天线枝节到顶角垂直距离。天线结构模型是由比例因子τ、间隔因子θ、所成角度α这三项主要参数决定，参数之间关系式如下：
Figure RE-RE-GDA0002611589880000031
在计算机中通过HFSS仿真软件，在对数周期天线的辐射单元的初步形状结构和尺寸上进行优化，确定天线的介质基板的种类,调节天线传输线使之阻抗匹配，得到宽带天线，本实施例中介质基板为Rogers Ro4350、厚度为1.524mm、介电常数为3.66、损耗角正切为0.004。图2和图3是在图1对数周期天线基础上优化设计成宽带天线，其中宽带天线结构各项参数关系式如下所示。
Figure RE-RE-GDA0002611589880000041
Figure RE-RE-GDA0002611589880000042
然后在宽带天线基础上对枝节长度分别进行四次优化调节，具体过程如下：
根据天线理论,当从短枝节端口进行馈电时，能量沿平行传输线传输。当枝节长度接近半波长时，会发生谐振，输入阻抗为纯电阻，电流大，能形成强辐射区。其他区域为传输区和非激励区(输入阻抗大，产生高频电流小)。当天线工作频率改变时，它所响应枝节长度和频率变化成反相关。此时通过调节枝节长度,使其电阻增大,使其阻抗不匹配,使其对应频率产生抑制，因此，通过调节与高次谐波频率点相对应枝节长度，来实现对指定频率点进行抑制，从而形成所需要的陷波天线。
在计算机中通过HFSS仿真软件，多次调整宽带天线的尺寸，使宽带天线对对应高次谐波频率点产生抑制，每一次优化是在前一次的基础上进行优化，参见图4-图7，图4至图7 展示了天线在HFSS软件上仿真，从宽带天线优化设计成陷波天线的结果变化图：
首先，在宽带天线基础上，将二次谐波、三次谐波和四参数变化图抑制，得到高次频段都抑制无陷波功能的一号天线。
其次，在一号天线基础上，调节天线枝节长度，使在三次谐波和四次谐波之间产生陷波，得到二号天线。
其三，在二号天线基础上，调节天线枝节长度，使在二次谐波和三次谐波之间产生陷波，得到三号天线。
其四，在三号天线基础上，调节天线枝节长度，使二次谐波和三次谐波的频点|S11|大于 -5dB，使其抑制进一步得到加强，得到四号天线，即具有谐波抑制功能的陷波天线1。
根据上述得到的尺寸，将天线辐射单元印制到介质基板2上，得到陷波天线1，将陷波天线连接整流电路，得到陷波整流天线，即具有谐波抑制功能的射频能量收集天线。
该具有谐波抑制功能的射频能量收集天线包括一块介质基板7和整流电路2，介质基板的正反面都设有辐射单元，分别为上辐射单元3和下辐射单元4，辐射单元的结构为对数周期结构，包括中间金属条5和上下平行的对称枝节6，且正反面的枝节6间隔对称交叉设置，辐射单元的尺寸上述制作方法进行确定，介质基板7上的辐射单元与整流电路2连接。介质基板7为Rogers Ro4350、厚度为1.524mm、介电常数为3.66、损耗角正切为0.004。
陷波天线结构各项参数如表1所示。
表1陷波天线结构各项参数 单位:mm
参数 数值 参数 数值 参数 数值 参数 数值 参数 数值 参数 数值
τ<sub>1</sub> 0.83 L<sub>9</sub> 12.9 R<sub>2</sub> 6 R<sub>12</sub> 39 W<sub>5</sub> 0.6 W<sub>15</sub> 4.1
σ 0.57 L<sub>10</sub> 15.5 R<sub>3</sub> 7.3 R<sub>13</sub> 47 W<sub>6</sub> 0.8 W<sub>16</sub> 4.9
L<sub>1</sub> 4.3 L<sub>11</sub> 18.7 R<sub>4</sub> 8.8 R<sub>14</sub> 56.6 W<sub>7</sub> 0.9 W<sub>17</sub> 5.9
L<sub>2</sub> 4.5 L<sub>12</sub> 22.5 R<sub>5</sub> 10.6 R<sub>15</sub> 68.2 W<sub>8</sub> 1.1 W<sub>18</sub> 7.1
L<sub>3</sub> 4.9 L<sub>13</sub> 27.1 R<sub>6</sub> 12.8 R<sub>16</sub> 82.2 W<sub>9</sub> 1.3 W<sub>F</sub> 2.2
L<sub>4</sub> 5.1 L<sub>14</sub> 32.7 R<sub>7</sub> 15.4 R<sub>17</sub> 99 W<sub>10</sub> 1.6 T<sub>W</sub> 4.2
L<sub>5</sub> 6.6 L<sub>15</sub> 39.4 R<sub>8</sub> 18.5 R<sub>18</sub> 119.3 W<sub>11</sub> 1.9 T<sub>L</sub> 6.9
L<sub>6</sub> 7.2 L<sub>16</sub> 47.4 R<sub>9</sub> 22.3 W<sub>1</sub> 0.3 W<sub>12</sub> 2.3 H 1.524
L<sub>7</sub> 9.7 L<sub>18</sub> 68.9 R<sub>10</sub> 26.9 W<sub>3</sub> 0.4 W<sub>13</sub> 2.8 W 135
L<sub>8</sub> 10.7 R<sub>1</sub> 5 R<sub>11</sub> 32.4 W<sub>4</sub> 0.5 W<sub>14</sub> 3.4
根据陷波天线工作特性，设计一款工作频率在2.45GHz的整流电路与之匹配，参见图8 和图9。2.45GHz整流电路是在ADS软件上进行仿真设计，由于电路负载对整流效率有一定影响，仿真优化后最终确定负载阻值为800Ω，介质基板是Rogers4350B,介电常数为3.66，厚度为0.762mm。
为了验证陷波天线的性能，将宽带天线和上述陷波天线分别结合同一款2.45GHz整流电路，形成一款无谐波抑制的宽带整流天线和一款具有谐波抑制的陷波整流天线。
图10是在实验室进行两款整流天线能量收集效率实测对比图，陷波整流天线实测过程中，当接收功率为7.9dBm时，最高能量收集效率达到67.5％。无谐波抑制整流天线实测过程中，当接收功率为8.5dBm时，最高能量收集效率为63.4％。通过实测比较发现，谐波抑制整流天线能量收集效率比无谐波抑制的整流天线能量收集效率高4.1％，实测结果表明，抑制高次谐波可以有效地提高射频能量收集效率，同时也免去整流电路中滤波电路的设计，进一步简化射频能量***的结构。
将陷波天线与之匹配的整流电路相结合形成陷波整流天线用于射频能量收集，即具有谐波抑制功能的射频能量收集天线。具体应用参见图11，图11是射频能量收集***在自由环境中收集射频能量的具体流程示意图，接收天线的作用是采集自由环境中射频能量，后端整流电路是将接收天线采集的射频能量转化为直流电源，负载中包含电源管理模块,目的将直流电源稳定的输出给对应用电设备,提供能量供应。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有谐波抑制功能的射频能量收集天线制作方法，包括一下具体步骤：
步骤1，确定天线辐射单元的初步形状结构和尺寸；
步骤2，对步骤1的天线辐射单元的初步形状结构和尺寸进行优化，得到宽带天线；
步骤3，通过多次调整宽带天线的尺寸，使宽带天线对对应高次谐波频率点产生抑制，得到具有谐波抑制功能天线的形状结构和尺寸；
步骤4，根据步骤3得到的尺寸，将天线辐射单元印制到介质基板上，得到陷波天线，将陷波天线连接整流电路，得到陷波整流天线，即具有谐波抑制功能的射频能量收集天线。
2.根据权利要求1所述的具有谐波抑制功能的射频能量收集天线制作方法，其特征在于，步骤1中天线辐射单元为对数周期天线，天线各参数关系式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，L n 是天线枝节长度，d n 是天线两枝节间距，R n 天线枝节到顶角垂直距离，τ比例因子、θ为间隔因子、α为所成角度。
3.根据权利要求2所述的具有谐波抑制功能的射频能量收集天线制作方法，其特征在于，步骤3中宽带天线调整步骤为：
首先，在宽带天线基础上，将二次谐波、三次谐波和四次谐波都进行抑制，得到高次频段都抑制无陷波功能的一号天线；
其次，在一号天线基础上，调节天线枝节长度，使在三次谐波和四次谐波之间产生陷波，得到二号天线；
其三，在二号天线基础上，调节天线枝节长度，使在二次谐波和三次谐波之间产生陷波，得到三号天线；
其四，在三号天线基础上，调节天线枝节长度，使二次谐波和三次谐波的频点|S11|大于-5dB，使其抑制进一步得到加强，得到四号天线，即具有谐波抑制功能的陷波天线。
4.根据权利要求3所述的具有谐波抑制功能的射频能量收集天线制作方法，其特征在于，所述二次谐波的频率为4.9GHz、三次谐波的频率为7.35GHz，四次谐波的频率为9.8GHz。
5.一种具有谐波抑制功能的射频能量收集天线，包括一块介质基板和整流电路，所述介质基板的正反面都设有辐射单元，其特征在于，所述辐射单元的结构为对数周期结构，包括中间金属条和上下平行的对称枝节，且正反面的枝节间隔对称交叉设置，所述辐射单元的尺寸通过权利要求1的方法进行确定，所述介质基板上的辐射单元与所述整流电路连接。
6.根据权利要求5所述的具有谐波抑制功能的射频能量收集天线，其特征在于，所述介质基板为Rogers Ro4350、厚度为1.524mm、介电常数为3.66、损耗角正切为0.004。
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