具有宽带宽功率范围的全极化整流天线及能量传输系统技术方案

本发明专利技术公开了具有宽带宽功率范围的全极化整流天线及能量传输系统，包括一个接收天线和一个整流电路，所述接收天线为宽带宽波束双极化天线，包括地板及馈电同轴线，所述地板的一面设置金属墙及辐射体，所述金属墙设置在辐射体的周围，馈电同轴线分别与辐射体及整流电路的输入端口连接；所述整流电路为宽带宽功率范围的双输入整流电路，印制在地板的另一面，本发明专利技术可用于宽频段微波无线能量收集，其优点是不仅可以在宽带宽功率范围内改善电路匹配性能，提高电路效率，还能实现功率的不平衡到平衡的转化，与双极化接收天线结合后，可以在不同入射极化旋转角的情况下都能保持平稳的整流效率。整流效率。整流效率。

【技术实现步骤摘要】
具有宽带宽功率范围的全极化整流天线及能量传输系统


[0001]本专利技术涉及微波无线能量传输
，具体涉及一种具有宽带宽功率范围的全极化整流天线及能量传输系统。

技术介绍

[0002]随着现今无线通信和低功率电子设备的迅猛发展，无线能量传输和无线能量收集逐渐成为有望为电子设备进行无线充电的技术，如物联网中的传感器节点、医疗设备和微型机器人等。然而，在不同的应用场景中，工作条件也会发生变化，具体包括接收方向、频率、输入功率水平和负载值等。但传统的整流天线仅能在某一特定的场景下工作，且目前很少有研究工作能够实现在多场景下同时工作。整流天线包含整流电路和接收天线两部分，由接收天线将射频能量收集，之后传输给整流电路将射频能量转换成直流能量，供给用电器工作。
[0003]为了提高整流天线的通用性，需要设计宽带、宽功率范围和宽负载范围的整流电路。常采用的方式之一是，将分别工作在不同频段或不同功率水平下的子整流支路并联，但该方法无法将多支路的负载进行合并，难以在实际场景中被应用；第二种方式是，采用阻抗转换网络实现匹配，如用非均匀传输线、耦合线或者自适应dc
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dc转换器可拓展带宽，用分支线耦合器和阻抗压缩网络可拓展功率范围。但是，很少有研究工作能同时实现宽带宽功率范围。
[0004]除了整流电路之外，接收天线的性能也至关重要。为了收集更多的射频能量，往往需要进行宽波束设计。另外，由于环境中用于无线通信的电磁波大多为线极化波，因此常采用双极化天线对任意入射极化角度的线极化电磁波进行接收，但是在这种情况下，天线的两个极化端口所获得的射频能量不同，若在其后级联整流电路，则会由于不平衡的输入功率导致不相等的直流能量，难以进行能量整合。对此可在双极化天线和整流电路之间加入分支线耦合器进行功率不平衡
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平衡转换。除此之外，采用宽波束的天线可以在更广范围内收集到更多的射频能量。但是，以上的技术手段无法同时实现宽带、宽功率和极化旋转角不敏感的特性。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术方案所存在的缺点与不足，本专利技术目的是提供一种具有宽带宽功率范围的全极化整流天线及能量传输系统。
[0006]本专利技术包括一个宽带宽波束双极化天线和一个宽带宽功率范围的双输入整流电路。当该双极化天线接收到不同频率或功率水平的电磁波时，由于整流二极管的非线性特性，其输入阻抗也会发生变化，由此造成了匹配的恶化，使得效率下降；除此之外，还会由于入射波极化偏转角的影响，造成功率的不平衡，也会导致效率的下降。因此，采用宽带宽功率的全极化整流天线不仅可以改善整流二极管随频率和功率变化的影响，还可对接收到的不平衡功率进行均衡，从而在变化的极化旋转角下仍保持稳定的效率。
[0007]本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种具有宽带宽功率范围的全极化整流天线，包括接收天线和整流电路；
[0009]所述接收天线为宽带宽波束双极化天线，包括地板及馈电同轴线，所述地板的一面设置金属墙及辐射体，所述金属墙设置在辐射体的周围，馈电同轴线分别与辐射体及整流电路的输入端口连接；
[0010]所述整流电路为宽带宽功率范围的双输入整流电路，印制在地板的另一面，包括基于Lange耦合器的六端口网络，所述基于Lange耦合器的六端口网络分别与第一整流路径及第二整流路径的输入端连接，第一整流路径及第二整流路径的两个输出端与负载的两端连接。
[0011]进一步，所述辐射体包括两对呈正交设置的领结型振子，交点为地板的中心点，领结型振子的末端向下折叠。
[0012]进一步，所述金属墙包括四组，对称设置在辐射体的周围，每组金属墙包括相互平行设置的第一金属墙及第二金属墙，第一金属墙靠近辐射体。
[0013]进一步，所述金属墙为长方形，第一金属墙的长度及宽度小于第二金属墙的长度及宽度。
[0014]进一步，所述基于Lange耦合器的六端口网络包括首尾连接的第一Lange耦合器、第二Lange耦合器和第三Lange耦合器。
[0015]进一步，第一整流路径由第一子整流支路和第二子整流支路并联形成，第二整流路径由第三子整流支路和第四子整流支路并联形成。
[0016]进一步，第一子整流支路和第二子整流支路完全相同，均由一段并联短路低阻抗微带线、一段串联高阻抗微带线、一个隔直电容、两个倍压连接的整流二极管和一个并联的滤波电容构成。
[0017]进一步，第三子整流支路和第四子整流支路完全相同，均由一段并联短路低阻抗微带线、一段串联高阻抗微带线、一个隔直电容、两个倍压连接的整流二极管和一个并联的滤波电容构成，其整流二极管的连接方向与第一整流支路不同。
[0018]进一步，所述地板采用四周便于安装的方形单面覆铜介质板。
[0019]一种能量传输系统，包括所述的全极化整流天线。
[0020]本专利技术的有益效果：
[0021](1)本专利技术将整流电路集成在接收天线的地板下方，不增加额外的尺寸，结构紧凑。
[0022](2)本专利技术的宽带宽波束双极化天线由加载了寄生金属墙的折叠振子进行辐射，不仅拓展了波束，还对带宽进行了拓展，有利于收集到更多的射频能量，进而提高整流效率。
[0023](3)本专利技术的双输入整流电路中的六端口网络不仅可以在宽带宽功率范围内改善电路匹配性能，提高电路效率，还能实现功率的不平衡到平衡的转化，与双极化接收天线结合后，可以在不同入射极化旋转角的情况下都能保持平稳的整流效率。
附图说明
[0024]图1是本专利技术实施例1的结构侧视图。
[0025]图2是本专利技术实施例1的结构俯视图。
[0026]图3是本专利技术实施例1整流电路结构示意图。
[0027]图4是本专利技术实施例1整流电路的版图。
[0028]图5是应用本专利技术实施例1的测试系统示意图。
[0029]图6是本专利技术实施例1分别在1uW/cm2、10uW/cm2、50uW/cm2的功率密度下的测试整流效率。
[0030]图7是本专利技术实施例1在工作频率为2.4GHz和功率密度为10uW/cm2的条件下，测试整流效率随旋转角度phi的波动情况。
[0031]图8是本专利技术实施例1在工作频率为2.4GHz和功率密度为10uW/cm2的条件下，测试整流效率随旋转角度theta的波动情况。
具体实施方式
[0032]下面结合实施例及附图，对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。
[0033]实施例1
[0034]如图1及图2所示，一种具有宽带宽功率范围的全极化整流天线，包括一个接收天线和一个整流电路。
[0035]所述接收天线为宽带宽波束双极化天线，采用同轴线作为馈电巴伦，辐射体采用末端折叠的领结型振子，地板采用四周边缘折叠的方形单面覆铜介质板，并在辐射体周围对称加载了八个金属墙实现波束拓宽和带宽拓展的功能。
[0036]进一步具体包括：地板1、馈电同轴线2、3及辐射体6。所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有宽带宽功率范围的全极化整流天线，其特征在于，包括接收天线和整流电路；所述接收天线为宽带宽波束双极化天线，包括地板及馈电同轴线，所述地板的一面设置金属墙及辐射体，所述金属墙设置在辐射体的周围，馈电同轴线分别与辐射体及整流电路的输入端口连接；所述整流电路为宽带宽功率范围的双输入整流电路，印制在地板的另一面，包括基于Lange耦合器的六端口网络，所述基于Lange耦合器的六端口网络分别与第一整流路径及第二整流路径的输入端连接，第一整流路径及第二整流路径的两个输出端与负载的两端连接。2.根据权利要求1所述的全极化整流天线，其特征在于，所述辐射体包括两对呈正交设置的领结型振子，交点为地板的中心点，领结型振子的末端向下折叠。3.根据权利要求1所述的全极化整流天线，其特征在于，所述金属墙包括四组，对称设置在辐射体的周围，每组金属墙包括相互平行设置的第一金属墙及第二金属墙，第一金属墙靠近辐射体。4.根据权利要求3所述的全极化整流天线，其特征在于，所述金属墙为长方形，第一金属墙的长度及宽度小于第二金属墙的长度及宽度。5.根据权利要求1所述的全极化整流天线，其特征在于，所述基于L...

【专利技术属性】
技术研发人员：章秀银，薄少飞，区俊辉，徐碧航，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：