CN112103671A - 一种微波无线能量接收*** - Google Patents

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周湶
邢来
李剑
陈伟根
廖瑞金
杜林�
王有元
陈实
王飞鹏
黄正勇
万福
谭亚雄
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Abstract

本发明涉及一种微波无线能量接收***，属于天线技术领域。该***包括微波接收阵列天线、低通滤波器、负载匹配电路、整流二极管、直通滤波器组成。微波接收阵列天线是由设计的4*4的微带贴片天线串并联构成，其在较小的尺寸下能够达到较大的增益，最大辐射方向处的增益达到19.6dBi。所设计的低通滤波器能够明显的抑制二次以上的谐波，所设计的倍压整流电路能在有较大的输出效率下输出较高的电压，整套***能够平滑的输出直流电，适用于物联网领域传感节点无线供电的需求。

Description

一种微波无线能量接收***
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种微波无线能量接收***。
背景技术
近些年来，为了解决能源短缺、岛屿和荒僻山村等特殊场合供电问题，以及解决物联网领域中监测装置的电池频繁更换问题，微波无线电能传输技术越来越受到广泛的关注。微波无线电能传输是以空气作为介质，电磁波作为能量载体，通过收发天线进行能量传输。相比于传统的输电线路电能传输，其可以节约成本，简化输电设备。其已经在多个领域得到了广泛的应用。如人体医疗设备、机器人无线供能、太阳能空间站、传感器无线供能等。
1899年NikolaTesla完成了人类历史上首次微波无线电能传输试验，从此打开了无线输电技术的大门。1964年美国工程师William C.Brown发明了一款接收整流天线，用于给直升机供电，达到了270W的输出功率。2001年，法国在留尼旺岛搭成功实现10kW的电能传输，并实现将40m外的灯泡点亮。2015年日本科学家成功实现了将1.8kW的电能精准的传输到55m外的接收装置，并期望在2040年后建成太阳能空间站，将太空中的太阳能收集转换成电能，通过电磁波传输到地球，用于解决地球的能源短缺问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种微波无线能量接收***。该微波无线能量接收***是由4*4的微带贴片阵列天线、低通滤波器、倍压整流电路、直通滤波器和阻抗匹配电路组成。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种微波无线能量接收***，包括依次连接的阵列天线、低通滤波器、阻抗匹配电路、整流电路和直通滤波器；
所述阵列天线为4*4微带贴片天线，所述微带贴片天线通过串并联组合方式组合而成，结构为三层结构，最上层为金属贴片，中间层为介质基板，最底层为金属接地板。
可选的，所述金属贴片的尺寸为16.3×21.5mm2，采用微带线侧馈的方式进行馈电；
所述介质基板的材料为Rogers5880，尺寸为30×40×1mm3；
所述金属接地板的厚度为0.05mm；
可选的，所述阵列天线的尺寸为150×150×1mm3，最大辐射方向处的增益为19.6dBi。
可选的，所述微带贴片天线的尺寸为30×40×1mm3，最大辐射方向处的增益为8.3dBi，馈电方式为侧馈。
可选的，所述整流电路为一阶倍压整流电路。
可选的，所述直通滤波器为十阶巴特沃斯低通滤波器。
本发明的有益效果在于：
第一，接收天线采取串并联组合的微带贴片天线，能够在较小的尺寸下实现较高的增益，不影响本发明适用于物联网领域传感器无线供能的特点。
第二，本发明具有髙次谐波具有抑制功能，提高了整流效率。
第三，本发明可在3.5m左右的传输距离下保持较高的能量接收效率。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为微波无限能量接收***的结构图；
图2为组成接收阵列天线的微带贴片天线；
图3为微波接收阵列天线的结构图；
图4为微波接收阵列天线的增益图；
图5为十阶巴特沃斯低通滤波器原型电路。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明微波无限能量接收***的结构图如图1所示，由阵列天线、低通滤波器、阻抗匹配电路、整流电路、直通滤波器组成。
微波接收天线为阵列天线，阵列天线由微带贴片天线2通过串并联组合方式组合而成，微带贴片天线的单元结构如图2所示，其结构为三明治结构，最上层为金属贴片，中间层为介质基板，最底层为金属接地板。金属贴片的尺寸为16.3×21.5mm2，采用微带线侧馈的方式进行馈电。中间介质基板的材料为Rogers5880，其尺寸为30×40×1mm3。最底层一般为厚度0.05mm的金属接地板。本发明中所设计的微带贴片天线的最大辐射方向处的增益为8.3dBi。
如图3所示阵列天线由4*4的微带贴片天线2串并联组成，竖直方向由4个微带贴片天线串联，串连微带线3宽度为1.3mm，每组串联的微带贴片天线再并通过Wilkinson功分器1并联组成阵列天线。和单独的微带贴片天线单元相比，如图4所示其最大辐射方向处的增益达到了19.6dBi，极大的提高了接收天线的增益，并且尺寸为150×150×1mm3，适用于物联网传感节点的无线供能领域。
低通滤波器起到通基波抑制高次谐波的作用，安装在接收阵列天线与整流电路之间。根据5.8GHz的工作频率，本发明所设计的低通滤波器的阶数为10，其电路原理图如图5所示。根据实测所设计的低通滤波器传输系数S21在5.8GHz、11.6GHz、17.4GHz和23.2GHz处的幅值分别为0.909、0.05、0.002和0.001，对高次波具有很好的抑制作用，同时对基波具有比较好的传输作用。
本发明采用印刷微带线设计阻抗匹配电路，具有体积较小、结构简单、便于加工的优势。所设计的单枝节阻抗匹配电路，使低通滤波器与整流电路的负载匹配。在5.8GHz工作频率处的反射系数S11＝-44.578dB，传输系数S21＝-0.44dB，说明匹配电路的***损耗较低，不会造成转换效率的损失，同时达到了较好的匹配效果，避免能量被反射浪费。
在传输距离为2～6m，整流电路的输入功率约为5～16dBm时，HSMS-286x系列二极管具有较高的整流效率，所以本发明最终选择HSMS-286x系列二极管作为整流电路的整流二极管，整流电路采用一阶倍压整流电路。
本发明采用一个四分之一波长微带传输线并联一个接地电容作为直通滤波器进一步提高整流掉率。
本发明所设计的一种微波无线能量接收***，在传输距离3.5m的情况下实现了51.3％的工作效率，效果较为良好，传输距离上具有一定优势。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种微波无线能量接收***，其特征在于：包括依次连接的阵列天线、低通滤波器、阻抗匹配电路、整流电路和直通滤波器；
所述阵列天线为4*4微带贴片天线，所述微带贴片天线通过串并联组合方式组合而成，结构为三层结构，最上层为金属贴片，中间层为介质基板，最底层为金属接地板。
2.根据权利要求1所述的一种微波无线能量接收***，其特征在于：所述金属贴片的尺寸为16.3×21.5mm2，采用微带线侧馈的方式进行馈电；
所述介质基板的材料为Rogers5880，尺寸为30×40×1mm3；
所述金属接地板的厚度为0.05mm。
3.根据权利要求1所述的一种微波无线能量接收***，其特征在于：所述阵列天线的尺寸为150×150×1mm3，最大辐射方向处的增益为19.6dBi。
4.根据权利要求3所述的一种微波无线能量接收***，其特征在于：所述微带贴片天线的尺寸为30×40×1mm3，最大辐射方向处的增益为8.3dBi，馈电方式为侧馈。
5.根据权利要求1所述的一种微波无线能量接收***，其特征在于：所述整流电路为一阶倍压整流电路。
6.根据权利要求1所述的一种微波无线能量接收***，其特征在于：所述直通滤波器为十阶巴特沃斯低通滤波器。
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