本發(fā)明涉及無線能量傳輸領(lǐng)域，是涉及一種微波能量傳輸系統(tǒng)接收端的整流天線，尤其涉及一種基于WiFi頻段的帶諧波抑制的整流天線。

背景技術(shù)：

微波能量傳輸(MPT，Microwave Power Transmission)是一種利用微波為載體，在真空或者自由空間中進(jìn)行能量傳輸?shù)男录夹g(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的有線能量傳輸技術(shù)，MPT技術(shù)在眾多應(yīng)用場景中，具有有線能量傳輸技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，以致近年來，MPT技術(shù)受到越來越廣泛的關(guān)注，并被逐步應(yīng)用于能量采集、射頻識(shí)別、無線充電和傳感器網(wǎng)絡(luò)等眾多領(lǐng)域。

微波能量傳輸系統(tǒng)接收端的整流天線(Rectenna)，主要由接收天線(Antenna)與整流電路(Rectifier)兩部分組成。整流天線是微波能量傳輸系統(tǒng)中，最關(guān)鍵部分之一，其工作性能將直接影響整個(gè)微波能量傳輸系統(tǒng)的效率。微波能量傳輸系統(tǒng)接收端的整流天線，其主要技術(shù)指標(biāo)包括：接收天線的性能與整流電路的整流效率。

天線是一種導(dǎo)行波與自由空間波之間轉(zhuǎn)換器件或者換能器件，是任何無線系統(tǒng)必不可少的組成器件。由于微波能量傳輸系統(tǒng)接收端的整流電路，在整流過程中會(huì)產(chǎn)生一定的高次諧波分量。如果缺少諧波抑制處理，高次諧波分量會(huì)經(jīng)由接收天線反向輻射，造成一定能量損失。同時(shí)，造成微波整流電路的整流效率下降，系統(tǒng)的整體性能下降。

針對(duì)以上問題，傳統(tǒng)的解決方案是在整流天線中，設(shè)計(jì)一個(gè)輸入濾波器，對(duì)高次諧波分量做濾波處理。但輸入濾波器的引入，往往伴隨著較大的插入損耗，造成整流效率下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決上述缺陷和不足，提供了一種基于WiFi頻段的具有諧波抑制的整流天線。

為解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種基于WiFi頻段的具有諧波抑制的整流天線，包括工作在基于WiFi頻段的具有諧波抑制的微帶接收天線和微帶差分整流電路，微帶接收天線的輸出端與微帶差分整流電路的輸入端連接；

所述微帶差分整流電路包括阻抗線，支路T型阻抗匹配單元，支路整流單元，支路輸出濾波器和負(fù)載；所述阻抗線與微帶接收天線的輸出端連接，并引出兩條對(duì)稱的支路，兩支路通過T型結(jié)連接，且各支路分別依次通過支路阻抗匹配單元、支路整流單元和支路輸出濾波器，最后與同一個(gè)負(fù)載連接；所述支路整流單元的二極管反向連接。

本發(fā)明提供的整流天線的具體工作過程如下：

微波能量經(jīng)由T型結(jié)往兩個(gè)支路流動(dòng)，微波入射與二極管非線性工作狀態(tài)產(chǎn)生的回流三次諧波由具有諧波抑制的天線抑制；兩條構(gòu)成對(duì)稱的支路將微波能量分成兩等分，使得二極管得到的功率變化幅度減為原來的二分之一，減小其阻抗變化幅度，提高系統(tǒng)的功率帶寬；對(duì)稱差分結(jié)構(gòu)從負(fù)載端看，相當(dāng)于將前級(jí)阻抗減小，跨接形成的差分輸出電壓比傳統(tǒng)單個(gè)支路輸出電壓要高；差分電壓輸出跨接在直流負(fù)載上，相比傳統(tǒng)單個(gè)支路負(fù)載減小了過孔環(huán)節(jié)，從而減小寄生參數(shù)影響，提高系統(tǒng)性能，降低實(shí)際加工難度與復(fù)雜度；由泰勒展開分析，在負(fù)載端偶次諧波分量相減可抵消，由此可見，差分結(jié)構(gòu)有天然抑制偶次諧波的功能。

優(yōu)選地，所述支路輸出濾波器包括小扇形濾波器和大扇形濾波器兩部分，小扇形濾波器和大扇形濾波器用于阻隔5.8GHz的基頻分量和支路整流單元整流過程中產(chǎn)生的高次諧波分量。

優(yōu)選地，所述微帶接收天線采用聚四氟乙烯雙面覆銅板，其介電常數(shù)ε＝2.28，介質(zhì)損耗角正切tanδ＝0.0015。

優(yōu)選地，所述微帶接收天線包括T型輻射面，地面，環(huán)形槽，饋電微帶線和SMA頭；其中，地面和環(huán)形槽構(gòu)成天線的地平面，T型輻射面和饋電微帶線構(gòu)成天線的輻射單元，且饋電微帶線位于環(huán)形槽的正上方，其中，SMA頭的探針與饋電微帶線連接，當(dāng)微帶接收天線接收到微波能量后，微波能量中的高次諧波分量經(jīng)由地平面的環(huán)形槽濾除，再經(jīng)由SMA頭進(jìn)行輸出，進(jìn)行下一步的處理。

優(yōu)選地，所述輻射單元橫向剖面呈T型；所述地平面的橫向剖面呈長方形。

優(yōu)選地，所述環(huán)形槽由四個(gè)水平排列的圓環(huán)構(gòu)成，四個(gè)環(huán)形槽的圓心與饋電微帶線的中心線對(duì)準(zhǔn)。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明有如下優(yōu)勢(shì)：

1)本發(fā)明提供的微帶天線，具有諧波抑制作用，減小整流器輸入三次諧波抑制濾波器的設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)難度，減小插損，結(jié)構(gòu)更緊湊，整體性能更優(yōu)。

2)本發(fā)明提供的整流天線，是基于WiFi頻段設(shè)計(jì)的，頻率高、尺寸小，適用范圍廣，易于推廣。

3)本發(fā)明提供的對(duì)稱差分結(jié)構(gòu)，天然抑制偶次諧波，實(shí)際設(shè)計(jì)中只需要設(shè)計(jì)奇次諧波抑制，降低設(shè)計(jì)難度，減小插損。

4)整流電路采用差分電壓輸出，整個(gè)設(shè)計(jì)無過孔，寄生參數(shù)小，系統(tǒng)性能好，輸出電壓高。

5)本發(fā)明提供的整流天線，能量轉(zhuǎn)換效率較高，因而能夠滿足小功率應(yīng)用的要求。

附圖說明

圖1為整流天線的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為微帶接收天線的俯視圖及縱向剖面圖。

圖3為微帶差分整流電路的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為微帶接收天線與傳統(tǒng)微帶接收天線的S₁₁對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不限于此。

實(shí)施例1

如圖1所示，整流天線包括微帶接收天線1和微帶差分整流電路2，兩者通過接頭3進(jìn)行連接。當(dāng)向微帶接收天線1發(fā)射WiFi頻段的微波時(shí)，微帶接收天線1接收微波能量，同時(shí)，地平面的環(huán)形槽4濾除微波能量中的高次諧波分量，并通過接頭3把微波能量傳輸?shù)轿Р罘终麟娐?。

如圖2所示，微帶接收天線1包括T型輻射面5，環(huán)形槽4，地面6，饋電微帶線7和SMA頭8。其中，T型輻射面5和饋電微帶線7構(gòu)成天線的輻射單元9，地面6和環(huán)形槽4構(gòu)成天線的地平面10，饋電微帶線7作為微帶線饋電單元和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。其中，SMA頭8的探針與饋電微帶線7連接。

本實(shí)施例中，微帶接收天線1采用聚四氟乙烯雙面覆銅板，其介電常數(shù)ε＝2.28，介質(zhì)損耗角正切tanδ＝0.0015，厚度為1.575mm。

其中，輻射單元9橫向剖面呈T型，其長為53.2mm，寬為20.2mm；所述地平面10的橫向剖面呈長方形，其長為61.4mm，寬為40.4mm。

環(huán)形槽4位于饋電微帶線7正下方，由四個(gè)水平排列的圓環(huán)41、42、43、44構(gòu)成，圓環(huán)41、42、43、44的圓心與饋電微帶線7的中心線對(duì)準(zhǔn)。

如圖3所示，微帶差分整流電路2包括50歐姆阻抗線11、支路阻抗匹配單元12、支路整流單元13、支路輸出濾波器14和負(fù)載15，其中50歐姆阻抗線11作為微帶差分整流電路的輸入接口的輸入端，與接收天線1的輸出端連接，輸入接口的輸出端引出兩條支路，兩支路的輸入端通過T型結(jié)連接，輸出端依次通過支路阻抗匹配單元12、支路整流單元13、支路輸出濾波器14，與負(fù)載連接15。

整流天線的具體工作原理如下：

微帶接收天線1接收低功率微波能量，同時(shí)，地平面的環(huán)形槽4濾除微波能量中的高次諧波分量，然后通過輸出端的輸出接口將微波能量傳至微帶差分整流電路2的輸入接口，微波能量經(jīng)由T型結(jié)往兩個(gè)支路流動(dòng)，經(jīng)支路阻抗匹配單元12進(jìn)入支路整流單元13整流，整流完成后通過輸出濾波器14，濾除整流過程中產(chǎn)生的高次諧波分量，得到輸出電壓向同一個(gè)直流負(fù)載15供電。

本實(shí)施例中，支路輸出濾波器14包括小扇形濾波器和大扇形濾波器兩部分，支路輸出濾波器14的輸入端與支路整流單元13的輸出端連接，輸出端與負(fù)載15連接。小扇形濾波器和大扇形濾波器用于阻隔5.8GHz的基頻分量和支路整流單元13整流過程中產(chǎn)生的高次諧波分量。

本實(shí)施例中，兩條構(gòu)成對(duì)稱的支路將微波能量分成兩等分，使得二極管得到的功率變化幅度減為原來的二分之一，減小其阻抗變化幅度，提高系統(tǒng)的功率帶寬；對(duì)稱差分結(jié)構(gòu)從負(fù)載端看，相當(dāng)于將前級(jí)阻抗減小，跨接形成的差分輸出電壓比傳統(tǒng)單個(gè)支路輸出電壓要高；差分電壓輸出跨接在直流負(fù)載15上，相比傳統(tǒng)單個(gè)支路負(fù)載減小了過孔環(huán)節(jié)，從而減小寄生參數(shù)影響，提高系統(tǒng)性能，降低實(shí)際加工難度與復(fù)雜度；由泰勒展開分析，在負(fù)載端偶次諧波分量相減可抵消，由此可見，差分結(jié)構(gòu)有天然抑制偶次諧波的功能。

采用本發(fā)明提供的整流天線，整流天線接收功率為0dBm時(shí)，輸出直流電壓可以達(dá)到1.8V以上，整體能量轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到50％以上；整流天線接收功率為5dBm時(shí)，單個(gè)整流天線元素的效率能達(dá)到60％以上；整流天線接收功率為10dBm時(shí)，最大輸出電壓能達(dá)到6.82V。在直流負(fù)載端測量，微波能量分量一二三次諧波抑制均在-30dB以下，抑制效果較好。

如圖4所示，是微帶接收天線與傳統(tǒng)微帶接收天線的S₁₁對(duì)比圖。由圖可知，本發(fā)明的微帶接收天線，具有非常好的諧波抑制作用，對(duì)高次諧波分量具有明顯的濾除效果。

顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。