一种基于平面对数周期天线的空间电磁能量收集系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于平面对数周期天线的空间电磁能量收集系统，属于电磁技术领域。该系统包括改良平面对数周期天线、阻抗匹配整流单元和功率管理单元；其中，所述的改良平面对数周期天线用于接收环境中0.5GHz

【技术实现步骤摘要】
一种基于平面对数周期天线的空间电磁能量收集系统


[0001]本专利技术属于电磁
，涉及一种基于平面对数周期天线的空间电磁能量收集系统。

技术介绍

[0002]微波能量收集技术由微波无线输电技术发展而来，是指一套包含接收天线和整流电路组成的接收系统，可收集和利用分散在空间中的各频段电磁能量，包括移动通信以及无线局域网等产生的电磁能量。虽然空间电磁波的能量密度较低，但分布非常广泛，具有十分可观的利用价值和应用前景。传统的微波能量收集技术只局限于空间中固定几个频段的电磁信号，逐渐不再适用现如今日益丰富的电磁环境。
[0003]而对数周期天线，其物理结构具有非频变的特性，使得其阻抗，增益等指标在很宽的频带内基本可以保持不变。凭借此优势，对数周期天线在微波能量收集领域具有较大的应用前景。传统的对数周期天线虽然增益较高，但是由于采用三维的铝制结构设计，往往使得天线的制作成本较高，工艺繁琐，同时笨重的结构也限制了天线部署的范围。同时，传统的基于印刷电路板的平面对数周期天线虽然易于共形，但往往存在空间利用率不足，没有考虑圆极化、低频特性较差等问题、难以同时实现低成本、高增益、宽频带等优势。
[0004]综上所述，目前亟需一种基于改良平面对数周期天线的空间电磁能量收集方法与系统。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于平面对数周期天线的空间电磁能量收集系统。通过优化传统平面对数周期天线，改善了接收天线的接收频带、圆极化特性和低频特性；通过设计阻抗匹配整流单元，简化了电路结构；通过设计功率管理单元，实现了无源电压管理，减少了传统功率管理模块的损耗。该系统通过所述结构提高了空间电磁能量的收集效率，同时极大简化了系统的尺寸，解决了现有能量收集系统尺寸冗余、效率较低、工作频带有限的缺点。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种基于平面对数周期天线的空间电磁能量收集系统，该系统包括改良平面对数周期天线、阻抗匹配整流单元和功率管理单元，其中：
[0008]所述改良平面对数周期天线用于获取环境中0.5GHz
‑
3GHz频段的射频信号；
[0009]所述阻抗匹配整流单元与所述改良平面对数周期天线连接，用于实现接收天线的阻抗匹配和整流滤波；
[0010]所述功率管理单元与所述阻抗匹配整流单元连接，用于将所述阻抗匹配整流单元输出的直流能量进行存储和管理。
[0011]可选的，所述改良平面对数周期天线包括介质基板、馈电单元、相位延迟扇环、交叉偶极子和外围金属层；
[0012]所述交叉偶极子包括多个偶极振子，偶极振子的长度和宽度沿所述馈电单元的长度方向按一定的比例因子依次缩放；
[0013]两对交叉偶极子分别设置于介质基板的上表面和下表面，呈中心对称设置；
[0014]同侧交叉偶极子相互正交，通过相位延迟扇环连接。
[0015]可选的，所述改良平面对数周期天线的比例因子τ满足：
[0016][0017]d
n
为对应偶极振子的宽度，L
n
为对应偶极振子外边沿的长度，R
n
为天线的几何中心到对应偶极振子外边沿的半径，n为对应偶极振子的序号；
[0018]偶极振子的几何顶角β满足：
[0019][0020]α＝2β+δ
[0021]δ为馈电单元中集合线馈线的几何顶角，α为交叉偶极子的几何顶角；
[0022]所述改良平面对数周期天线，每个偶极振子外边沿的长度L
n
、宽度d
n
满足以下关系：
[0023][0024]可选的，所述改良平面对数周期天线还包括馈电单元，所述馈电单元包括集合线馈线以及辅助馈电单元，集合线馈线呈扇形与所述偶极振子相连接，辅助馈电单元呈扇形连接馈电源和集合线馈线。
[0025]可选的，所述改良平面对数周期天线还包括馈电源，所述馈电源设于任一长度最短的所述偶极振子所在的馈电单元一端且与所述馈电单元相连接。
[0026]可选的，所述改良平面对数周期天线还包括相位延迟扇环，该延迟扇环实现相位延迟的功能，实现改良平面对数周期天线的圆极化；所述相位延迟扇环设于同一侧正交放置的交叉偶极子所在的馈电单元之间。
[0027]可选的，所述改良平面对数周期天线还包括外围金属层，所述外围金属层设于长度最长和次长的所述偶极振子外侧，且留有一定间隙，平面两侧外围金属层通过两个通孔进行连接。
[0028]可选的，所述改良平面对数周期天线，除辅助馈电单元外，所述介质基板上表面的馈电单元、相位延迟扇环、外围金属层与偶极振子的分布结构及尺寸与所述介质基板下表面的馈电单元、相位延迟扇环、外围金属层与偶极振子的分布结构及尺寸相同；
[0029]所述的改良平面对数周期天线，介质基板材料为F4B，其相对介电常数为2.65，厚度为1.575mm，所述介质基板呈正方形，边长为160mm，所述偶极振子的几何顶角β＝40
°
，集合线馈线的几何顶角δ＝5
°
，扇形辅助馈电单元的几何顶角ω1＝45
°
，外半径r1＝6.5mm，所述相位延迟环扇的外半径r1＝6.5mm，几何顶角ω2＝225
°
，宽度W＝1mm，所述外围金属层与长度最长和次长的所述偶极振子外侧间隙宽度g＝0.5mm；
[0030]所述的改良平面对数周期天线，17个所述偶极振子交错分布于所述集合线馈线的
两侧，长度最长的所述偶极振子的长度L1＝52.36mm，宽度d1＝7.4mm，各偶极振子的比例因数τ＝0.9，交叉偶极子的几何顶角α＝85
°
。
[0031]可选的，所述的阻抗匹配整流单元，包括输入带通滤波器和匹配网络，所述输入滤波器和匹配网络由TL1、TL2、TL3、TL4传输线组成，其中TL1和TL2传输线组成输入带通滤波器，TL3和TL4传输线组成匹配网络，实现基频选择通过和50欧姆阻抗变换。
[0032]可选的，所述阻抗匹配整流单元还包括整流二极管，二极管阵列由D1和D2两个HSM276AS肖特基二极管组成，与输入滤波器和匹配网络连接，用于将滤波匹配后的射频能量进行整流，实现“信号—能量”变换；
[0033]所述的阻抗匹配整流单元还包括输出直通滤波器，所述输出直通滤波器由TL5、TL6、TL7传输线和Stub1、Stub2扇形枝节组成，用于将整流后的射频能量进行直流滤波；
[0034]可选的，所述功率管理单元，包括微弱能量管理电路，微弱能量管理电路连接阻抗匹配整流单元、辅助升压电路、最大功率点追踪电路和超级电容；微弱能量管理电路通过与辅助升压电路和最大功率点追踪电路联合工作，将阻抗匹配整流电路输入的直流电压变换至预设电压，并输出至超级电容储存；
[0035]所述功率管理单元，还包括辅助升压电路，辅助升压电路的两端分别与阻抗匹配整流单元和微弱能量管理电路相连；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于平面对数周期天线的空间电磁能量收集系统，其特征在于：该系统包括改良平面对数周期天线、阻抗匹配整流单元和功率管理单元，其中：所述改良平面对数周期天线用于获取环境中0.5GHz
‑
3GHz频段的射频信号；所述阻抗匹配整流单元与所述改良平面对数周期天线连接，用于实现接收天线的阻抗匹配和整流滤波；所述功率管理单元与所述阻抗匹配整流单元连接，用于将所述阻抗匹配整流单元输出的直流能量进行存储和管理。2.根据权利要求1所述的一种基于平面对数周期天线的空间电磁能量收集系统，其特征在于：所述改良平面对数周期天线包括介质基板、馈电单元、相位延迟扇环、交叉偶极子和外围金属层；所述交叉偶极子包括多个偶极振子，偶极振子的长度和宽度沿所述馈电单元的长度方向按一定的比例因子依次缩放；两对交叉偶极子分别设置于介质基板的上表面和下表面，呈中心对称设置；同侧交叉偶极子相互正交，通过相位延迟扇环连接。3.根据权利要求1所述的一种基于平面对数周期天线的空间电磁能量收集系统，其特征在于：所述改良平面对数周期天线的比例因子τ满足：d
n
为对应偶极振子的宽度，L
n
为对应偶极振子外边沿的长度，R
n
为天线的几何中心到对应偶极振子外边沿的半径，n为对应偶极振子的序号；偶极振子的几何顶角β满足：α＝2β+δδ为馈电单元中集合线馈线的几何顶角，α为交叉偶极子的几何顶角；所述改良平面对数周期天线，每个偶极振子外边沿的长度L
n
、宽度d
n
满足以下关系：4.根据权利要求1所述的一种基于平面对数周期天线的空间电磁能量收集系统，其特征在于：所述改良平面对数周期天线还包括馈电单元，所述馈电单元包括集合线馈线以及辅助馈电单元，集合线馈线呈扇形与所述偶极振子相连接，辅助馈电单元呈扇形连接馈电源和集合线馈线。5.根据权利要求1所述的一种基于平面对数周期天线的空间电磁能量收集系统，其特征在于：所述改良平面对数周期天线还包括馈电源，所述馈电源设于任一长度最短的所述偶极振子所在的馈电单元一端且与所述馈电单元相连接。6.根据权利要求1所述的一种基于平面对数周期天线的空间电磁能量收集系统，其特征在于：所述改良平面对数周期天线还包括相位延迟扇环，该延迟扇环实现相位延迟的功能，实现改良平面对数周期天线的圆极化；所述相位延迟扇环设于同一侧正交放置的交叉
偶极子所在的馈电单元之间。7.根据权利要求1所述的一种基于平面对数周期天线的空间电磁能量收集系统，其特征在于：所述改良平面对数周期天线还包括外围金属层，所述外围金属层设于长度最长和次长的所述偶极振子外侧，且留有一定间隙，平面两侧外围金属层通过两个通孔进行连接。8.根据权利要求1所述的一种基于平面对数周期天线的空间电磁能量收集系统，其特征在于：所述改良平面对数周期天线，除辅助馈电单元外，所述介质基板上表面的馈电单元、相位延迟...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭思为，陈靖翰，朱轩毅，王平，刘斯扬，聂永杰，曹敏，赵现平，梁家祺，武超，阎鑫龙，王慧悦，李倩文，沈悦，曾静雅，
申请(专利权)人：云南电网有限责任公司，
类型：发明
国别省市：