本发明专利技术公开了一种远距离微波输能系统用功放天线一体化系统，包括功率放大电路、天线辐射单元、从上到下顺序排列的第一介质板、接地层和第二介质板，功率放大电路通过功放输出传输线和第一金属探针连接对天线辐射单元进行馈电激励，天线辐射单元通过至少一个第二金属探针与接地层连接，至少一个第二金属探针使天线辐射单元上的二次谐波电流分布呈现短路状态，天线辐射单元上设置有矩形缝隙，矩形缝隙与传输线枝节使天线辐射单元上的三次谐波电流分布呈现开路状态；优点是天线辐射单元与功率放大电路直接连接，两者之间省略了无源网络，实现无缝融合，不但利于发射设备电路的小型化，而且可以提高发射设备的整体输出功率与效率。
An Integrated Power Amplifier Antenna System for Long Distance Microwave Energy Transmission System
【技术实现步骤摘要】
一种远距离微波输能系统用功放天线一体化系统
本专利技术涉及一种远距离微波输能系统，尤其是涉及一种远距离微波输能系统用功放天线一体化系统。
技术介绍
随着5G、传感器和物联网等技术的快速发展，对野外传感器、机器人、无人机和海上无人设备等各种电能驱动设备能源补给方式提出了更高要求。受限于这些设备的应用环境，人为方式更换电池的能源补给方式变得越来越难以实现。无线输能(WirelessPowerTransmission,WPT)是解决上述能源补给的有效方法。WPT可以将能量以无线形式从发射设备输送到接收设备，相较于太阳能和风能等其他能量补给方式，具有小型化、易安装、受天气和昼夜影响小等优点。WPT作为能量传输手段，太阳能和风能等可再生能源都可作为其能量来源。WPT为野外传感器、机器人、无人机和海上无人设备等无法使用线束供电的设备，提供了能量补给的解决办法。目前，WPT包括近距离的耦合式或谐振式输能和远距离微波输能(MicrowavePowerTransmission,MPT)两种方式。MPT方式相对于近距离耦合谐振式输能方式，能够实现能量的远距离和高定向供给，更加适用于野外传感器、机器人、无人机和海上无人设备等尺寸多样、输能距离不定的设备。现有的远距离微波输能系统中发射设备的发射源用于实现无线信号的产生、放大与发射，发射源中末级的功率放大电路与天线用于信号的放大与发射，通常是级联实现。如图1所示，现有的放大器集成天线(AmplifierIntegratedAntenna,AIA)主要包括功率放大电路和天线，天线包括天线输入阻抗匹配网络和天线辐射单元，功率放大电路包括功放芯片、功放输入阻抗匹配网络、功放输出阻抗匹配网络、功放输出谐波控制网络和直流偏置与功放稳定电路，功放输入阻抗匹配网络和直流偏置与功放稳定电路分别与功放芯片连接，功放输出谐波控制网络用于高效率功率设计，保证较高的输出功率，功放输出阻抗匹配网络和天线输入阻抗匹配网络用于匹配功率放大电路的输出阻抗与天线辐射单元的输入阻抗，使功率放大电路的输阻抗与天线辐射单元的输入阻抗都匹配到50Ω或其他特定阻抗。由此，现有的放大器集成天线中的功放输出阻抗匹配网络、功放输出谐波控制网络和天线输入阻抗匹配网络为了必不可少的部分，而功放输出阻抗匹配网络、功放输出谐波控制网络和天线输入阻抗匹配网络这些无源网络的存在，不仅占用了额外的空间，不利于发射设备电路的小型化，而且它们本身存在的损耗与相互级联时阻抗的不完美匹配，大大制约了发射设备的整体输出功率与效率，也背离了MPT系统的效率优先的设计宗旨。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种远距离微波输能系统用功放天线一体化系统，该功放天线一体化系统中天线辐射单元与功率放大电路直接连接，两者之间省略了谐波控制网络、功放输出阻抗匹配网络和天线输入阻抗匹配网络这些无源网络，实现天线辐射单元与功率放大电路的无缝融合，不但利于发射设备电路的小型化，而且可以提高发射设备的整体输出功率与效率。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种远距离微波输能系统用功放天线一体化系统，包括功率放大电路和天线辐射单元，所述的功率放大电路包括功放芯片、功放输入阻抗匹配网络和直流偏置与功放稳定电路，所述的功放输入阻抗匹配网络和所述的直流偏置与功放稳定电路分别与所述的功放芯片连接，所述的功放天线一体化系统还包括按照从上到下顺序排列的第一介质板、接地层和第二介质板，所述的第一介质板、所述的接地层和所述的第二介质板均为矩形，且三者的长度相等宽度也相等；所述的天线辐射单元附着在所述的第一介质板的上表面，所述的接地层的上表面与所述的第一介质板的下表面贴合连接，所述的接地层的下表面与所述的第二介质板的上表面贴合连接，所述的功率放大电路还包括与所述的功放芯片连接的功放输出传输线，所述的功率放大电路附着在所述的第二介质板的下表面，所述的功率放大电路通过所述的功放输出传输线和第一金属探针连接后对所述的天线辐射单元进行馈电激励，所述的第一金属探针的底端与所述的功放输出传输线贴合连接，且所述的第一金属探针的底端不超出所述的功放输出传输线的边缘处，所述的第一金属探针依次穿过所述的第二介质板、所述的接地层和所述的第一介质板后与所述的天线辐射单元连接，所述的第一金属探针与所述的接地层不连接，所述的天线辐射单元上设置有矩形缝隙，所述的天线辐射单元通过至少一个第二金属探针与所述的接地层连接，至少一个所述的第二金属探针使所述的天线辐射单元上的二次谐波电流分布呈现短路状态，所述的天线辐射单元的一个边缘处连接一个传输线枝节，所述的传输线枝节附着在所述的第一介质板的上表面，所述的矩形缝隙和所述的传输线枝节使所述的天线辐射单元上三次谐波电流分布呈现开路状态。所述的天线辐射单元为矩形金属块，所述的天线辐射单元的厚度大于设计工作频率所对应的趋附深度，所述的天线辐射单元的前边缘与所述的第一介质板的前边缘之间、所述的天线辐射单元的左边缘与所述的第一介质板的左边缘之间、所述的天线辐射单元的右边缘与所述的第一介质板的右边缘之间以及所述的天线辐射单元的后边缘与所述的第一介质板的后边缘之间分别具有一段距离且这些距离均相等，所述的传输线枝节的一端与所述的天线辐射单元的一个边缘连接，所述的传输线枝节的各处边缘分别位于所述的第一介质板的各处边缘内侧，所述的功率放大电路的各处边缘位于所述的第二介质板的各边缘内侧。所述的接地层上设置有圆形通孔，所述的第一金属探针从所述的圆形通孔处穿过，所述的第一金属探针与所述的圆形通孔同轴，所述的圆形通孔的半径与所述的金属探针的半径之差至少为0.2mm。该结构中，圆形通孔的设置既可以保证第一金属探针不和接地层连接，又可以通过该圆形通孔影响天线辐射单元的输入阻抗特性，结合功放输出传输线实现天线辐射单元的输入阻抗与功率放大电路的输出阻抗之间更好的共轭匹配。与现有技术相比，本专利技术的优点在于通过设置按照从上到下顺序排列的第一介质板、接地层和第二介质板，第一介质板、接地层和第二介质板均为矩形，且三者的长度相等宽度也相等，天线辐射单元附着在第一介质板的上表面，接地层的上表面与第一介质板的下表面贴合连接，接地层的下表面与第二介质板的上表面贴合连接，功率放大电路还包括与功放芯片连接的功放输出传输线，功率放大电路附着在第二介质板的下表面，功率放大电路通过功放输出传输线和第一金属探针对天线辐射单元进行馈电激励，第一金属探针的底端与功放输出传输线贴合连接，且第一金属探针的底端不超出功放输出传输线的边缘处，第一金属探针依次穿过第二介质板、接地层和第一介质板后与天线辐射单元连接，第一金属探针与接地层不连接，天线辐射单元通过至少一个第二金属探针与接地层连接，至少一个第二金属探针使天线辐射单元上的二次谐波电流分布呈现短路状态，天线辐射单元上设置有矩形缝隙，天线辐射单元的一个边缘处连接一个传输线枝节，传输线枝节附着在第一介质板的上表面，矩形缝隙和传输线枝节使天线辐射单元上三次谐波电流分布呈现开路状态，本专利技术中将第一金属探针的底端与功放输出传输线贴合连接，且第一金属探针的底端不超出功放输出传输线的边缘处，功率放大电路通过功放输出传输线和第一金属探针对天线辐射单元进行馈电激励，可以使功率放大电路的输出阻抗与天本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种远距离微波输能系统用功放天线一体化系统，包括功率放大电路和天线辐射单元，所述的功率放大电路包括功放芯片、功放输入阻抗匹配网络和直流偏置与功放稳定电路，所述的功放输入阻抗匹配网络和所述的直流偏置与功放稳定电路分别与所述的功放芯片连接，其特征在于所述的功放天线一体化系统还包括按照从上到下顺序排列的第一介质板、接地层和第二介质板，所述的第一介质板、所述的接地层和所述的第二介质板均为矩形，且三者的长度相等宽度也相等；所述的天线辐射单元附着在所述的第一介质板的上表面，所述的接地层的上表面与所述的第一介质板的下表面贴合连接，所述的接地层的下表面与所述的第二介质板的上表面贴合连接，所述的功率放大电路还包括与所述的功放芯片连接的功放输出传输线，所述的功率放大电路附着在所述的第二介质板的下表面，所述的功率放大电路通过所述的功放输出传输线和第一金属探针连接后对所述的天线辐射单元进行馈电激励，所述的第一金属探针的底端与所述的功放输出传输线贴合连接，且所述的第一金属探针的底端不超出所述的功放输出传输线的边缘处，所述的第一金属探针依次穿过所述的第二介质板、所述的接地层和所述的第一介质板后与所述的天线辐射单元连接，所述的第一金属探针与所述的接地层不连接，所述的天线辐射单元通过至少一个第二金属探针与所述的接地层连接，至少一个所述的第二金属探针使所述的天线辐射单元上的二次谐波电流分布呈现短路状态，所述的天线辐射单元上设置有矩形缝隙，所述的天线辐射单元的一个边缘处连接一个传输线枝节，所述的传输线枝节附着在所述的第一介质板的上表面，所述的矩形缝隙与所述的传输线枝节使所述的天线辐射单元上的三次谐波电流分布呈现开路状态。...
【技术特征摘要】
1.一种远距离微波输能系统用功放天线一体化系统，包括功率放大电路和天线辐射单元，所述的功率放大电路包括功放芯片、功放输入阻抗匹配网络和直流偏置与功放稳定电路，所述的功放输入阻抗匹配网络和所述的直流偏置与功放稳定电路分别与所述的功放芯片连接，其特征在于所述的功放天线一体化系统还包括按照从上到下顺序排列的第一介质板、接地层和第二介质板，所述的第一介质板、所述的接地层和所述的第二介质板均为矩形，且三者的长度相等宽度也相等；所述的天线辐射单元附着在所述的第一介质板的上表面，所述的接地层的上表面与所述的第一介质板的下表面贴合连接，所述的接地层的下表面与所述的第二介质板的上表面贴合连接，所述的功率放大电路还包括与所述的功放芯片连接的功放输出传输线，所述的功率放大电路附着在所述的第二介质板的下表面，所述的功率放大电路通过所述的功放输出传输线和第一金属探针连接后对所述的天线辐射单元进行馈电激励，所述的第一金属探针的底端与所述的功放输出传输线贴合连接，且所述的第一金属探针的底端不超出所述的功放输出传输线的边缘处，所述的第一金属探针依次穿过所述的第二介质板、所述的接地层和所述的第一介质板后与所述的天线辐射单元连接，所述的第一金属探针与所述的接地层不连接，所述的天线辐射单元通过至少一个第二金属探针与所述的接地层连接，至少一个所述的第二金属探针使所...
【专利技术属性】
技术研发人员：陆云龙，黄季甫，刘太君，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33
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