具有宽带宽功率范围的全极化整流天线及能量传输系统
阅读说明：本技术 具有宽带宽功率范围的全极化整流天线及能量传输系统 (Full-polarization rectifying antenna with wide bandwidth power range and energy transmission system ) 是由 章秀银 薄少飞 区俊辉 徐碧航 于 2021-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明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。(The invention discloses a full-polarization rectifying antenna with wide bandwidth and wide power range and an energy transmission system, comprising a receiving antenna and a rectifying circuit, wherein the receiving antenna is a wide bandwidth wave beam dual-polarization antenna and comprises a floor and a feed coaxial line, one surface of the floor is provided with a metal wall and a radiating body, the metal wall is arranged around the radiating body, and the feed coaxial line is respectively connected with the input ports of the radiating body and the rectifying circuit; the rectification circuit is a double-input rectification circuit with wide bandwidth and wide power range, and is printed on the other surface of the floor, the rectification circuit can be used for collecting wide-frequency-band microwave wireless energy, and the rectification circuit has the advantages that the circuit matching performance can be improved in the wide bandwidth and wide power range, the circuit efficiency is improved, the unbalanced-to-balanced conversion of power can be realized, and the stable rectification efficiency can be kept under the condition of different incident polarization rotation angles after the rectification circuit is combined with a dual-polarization receiving antenna.)
技术领域
本发明涉及微波无线能量传输技术领域，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。
背景技术
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。
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-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。
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-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。
发明内容
为了克服现有技术方案所存在的缺点与不足，本发明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。
本发明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。
本发明采用如下技术方案：
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；
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
一种能量传输系统，包括所述的全极化整流天线。
本发明的有益效果：
(1)本发明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。
(2)本发明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。
(3)本发明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
图1是本发明实施例1的结构侧视图。
图2是本发明实施例1的结构俯视图。
图3是本发明实施例1整流电路结构示意图。
图4是本发明实施例1整流电路的版图。
图5是应用本发明实施例1的测试系统示意图。
图6是本发明实施例1分别在1uW/cm2、10uW/cm2、50uW/cm2的功率密度下的测试整流效率。
图7是本发明实施例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。
图8是本发明实施例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
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
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。
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。
进一步具体包括：地板1、馈电同轴线2、3及辐射体6。所述地板为正方形介质板，其上表面覆铜，四边向下折叠90度，折叠形状为长方形介质板，该结构可以提高接收天线的前后比。在本实施例中，正方形介质板的边长为103mm，长方形介质板的宽度为10mm。
所述地板的上表面设置金属墙及辐射体，所述辐射体6为两对呈正交对称设置的领结型振子，实现双极化，交点为地板的中心点，领结型振子的末端向下折叠以扩展波束。每对领结型振子由两个领结型金属铜片构成，且分别连接馈电同轴线2和馈电同轴线3的内芯和外导体。一对领结型振子设置在地板的一条对角线上，另一对领结型振子设置在地板的另一条对角线上。两对对称振子分别作为垂直极化和水平极化方向的辐射体进行辐射，且振子两边向下折叠成90度以实现对结构的小型化和对波束宽度的拓展。
馈电同轴线2和馈电同轴线3完全一样，长度约为工作频段中心频率的四分之一波长，它们的上端连接辐射体，下端连接整流电路7的输入端口，起到馈电的作用。
所述金属墙一共四组，设置在辐射体的周围，由图2可知，两组水平设置，具体对称设置在辐射体的上、下端；两组竖直对称设置在辐射体的左右两侧。每组金属墙包括第一金属墙4及第二金属墙5，两个金属墙都是长方体，均由介质板外围覆铜实现。金属墙与领结型振子产生耦合实现对带宽和波束的双重拓宽。在本实施例中，第一金属墙与第二金属墙平行设置，第一金属墙靠近振子，两个金属墙间隔一定距离，第一金属墙的尺寸小于第二金属墙。第一金属墙4的长度为15mm，宽度为12mm，第二金属墙5的长度为35mm，宽度为22.7mm。
如图3及图4所示，所述整流电路7印刷在地板1的下表面，且两个输入端口分别与馈电同轴线2和馈电同轴线3的内芯的下端连接。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。
所述基于Lange耦合器的六端口网络I由第一Lange耦合器12、第二Lange耦合器13和第三Lange耦合器14首尾相连构成，且它们完全相同。在本实施例中，三个Lange耦合器的长度均为17.4mm，耦合线宽均为0.53mm，耦合间隙宽均为0.1mm。
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。
所述第二子整流支路III与第一子整流支路II完全相同，且第一子整流支路II和第二子整流支路III的输出端并联构成第一整流路径。
所述第一子整流支路II包括一段并联短路低阻抗微带线15、一段串联高阻抗微带线16、隔直电容17、两个整流二极管18、19和滤波电容20，其中整流二极管18和整流二极管19完全相同，采用倍压方式连接，整流二极管19的正极接地。在本实施例中，短路阻抗微带线的长为18.5mm，宽为8.37mm，高阻抗微带线的长为6.5mm，宽为0.1mm，隔直电容17的容值为6.8pF，整流二极管18和整流二极管19均采用HSMS2852，滤波电容20的容值为68pF。
所述第二子整流支路III包括一段并联短路低阻抗微带线21、一段串联高阻抗微带线22、隔直电容23、整流二极管25、整流二极管24和滤波电容26。
第三子整流电路IV与第一子整流支路II的区别在于整流二极管的连接方向相反，其余均完全相同。
所述整流电路7的第四子整流支路V与第三子整流支路IV完全相同，且第三子整流支路IV和第四子整流支路V的输出端并联构成第二整流路径。
所述第三子整流支路IV包括一段并联短路低阻抗微带线27、一段串联高阻抗微带线28、隔直电容29、整流二极管30、整流二极管31和滤波电容32。
所述第四子整流支路V包括一段并联短路低阻抗微带线33、一段串联高阻抗微带线34、隔直电容35、整流二极管36、整流二极管37和滤波电容38。
所述整流电路7的负载电阻VI的两端分别连接在第一整流路径和第二整流路径的两个输出端，在本实施例中，负载电阻VI的电阻值为4.8kΩ。
本实施例中一种具有宽带宽功率范围的全极化整流天线的结构如图1所示，以下仅仅为本发明的一个实例，本实例中所设计的工作频段为1.7GHz-2.5GHz，覆盖3G、4G和WiFi频段，可实现对周围环境的无线射频能量收集。
图5是本发明的实施例的测试系统示意图。其中包括发射端的射频信号源、采用直流电压源供电的功率放大器和线极化发射喇叭天线，以及接收端的整流天线和用于测试输出电压的电压表。传输距离为3m，在设计频段内符合发射天线的远场距离，且在测试时对整流天线在两个角度进行旋转，phi和theta，分别用来验证整流天线的宽波束特性和极化接收不敏感特性。
图6是本发明分别在1uW/cm2、10uW/cm2、50uW/cm2的功率密度下的测试整流效率。图中纵坐标数字表示整流效率，单位为％，横坐标表示频率，单位为GHz。测试结果显示，在工作频段1.7GHz-2.5GHz内，都有较为平坦的效率，在处于低功率密度1uW/cm2时，整流效率仍然最高可达24％。该测试结果证明了本发明设计理论的可行性和正确性。
图7是本发明在工作频率为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。图中纵坐标数字表示整流效率，单位为％，横坐标表示旋转角度phi，单位为deg。测试结果显示，在旋转角度phi从-30deg变化到30deg时，整流效率的波动范围保持在2％以内，相对稳定。该测试结果证明了本发明的宽波束特性。
图8是本发明在工作频率为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。图中纵坐标数字表示整流效率，单位为％，横坐标表示旋转角度theta，单位为deg。测试结果显示，在旋转角度theta从-90deg变化到90deg时，整流效率的波动范围保持在6％以内，相对稳定。该测试结果证明了本发明的全极化接收特性。
综上所述，本发明提出了一种具有宽带宽功率范围的全极化整流天线，该整流天线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；除此之外，采用宽波束接收天线的设计，可以在更广的范围内对射频能量实现更有效的接收，适用于微波无线能量收集。
实施例2
一种能量传输系统，包括本实施例1所述的全极化整流天线，所述全极化整流天线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。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。