一種雙頻率接收天線及雙頻率整流天線的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙頻率接收天線和雙頻率整流天線，用于解決現有雙頻率接收天線尺寸較大，增益較小；雙頻率整流天線尺寸較大，不能接收弱能量，不適應于遠距離傳輸，整流電路可靠性差的問題。本發明的雙頻率接收天線包括矩形輻射貼片，輻射貼片開設有用于實現雙頻特性的Z型槽，輻射貼片的下端經同軸線依次連接有介質基片層和金屬接地板，同軸線與后端電路連接；輻射貼片與介質基片層之間形成有空氣介質層，輻射貼片與介質基片層之間的同軸線外左右對稱的設置有金屬片，金屬片上端與輻射貼片連接，下端與介質基片層連接；輻射貼片的一端面還連接有與介質基片層連接的金屬片。本發明可以廣泛應用于如通信，醫療，工業等微波輸能的各個領域中。
【專利說明】一種雙頻率接收天線及雙頻率整流天線
【技術領域】
[0001]本發明屬于無線電能傳輸領域的天線技術,具體涉及一種雙頻率接收天線及雙頻率整流天線。
【背景技術】
[0002]無線電能傳輸，即電能不通過輸電線進行能量傳輸的技術，能夠使人們擺脫電線的約束。無線充電傳輸方式一般可分為電磁感應式，磁場共振式，電波輻射式三種。其中，電波福射式又稱為微波輸能(MPT),即電能轉換成微波以福射傳輸供電,適合遠距離傳輸。1899年，“特斯拉線圈”的問世，為MPT的發展埋下了種子。近代MPT實驗完成于1964年，在
2.45GHz下用微波驅動直升機，極大地促進了世界各國對MPT技術的研究。1968年，美國開始了空間太陽能發電衛星(SSPS)計劃。MPT在無線電能傳輸中起到了舉足輕重的作用，具有巨大的發展前景，廣泛應用于電子，醫療，軍事等許多領域，受到國內外越來越多的關注。
[0003]MPT有下面三個過程:I)微波的產生；2)微波的發射和傳播；3)微波的接收和轉換。在整個MPT系統中，主要裝置是整流天線，它能夠完成MPT的第三個過程，即接收微波并將其轉換成直流電。
[0004]整流天線是由接收天線與整流電路共同組成的一種新型天線，廣泛地運用于微波輸能系統中，其主要由接收天線、前置濾波器、整流電路，后置濾波器以及匹配電路組成。在MPT的快速發展下，各種形式的整流天線不斷提出。由于頻率為2.45GHz的微波在空間傳輸時衰減最少，因此在最初的MPT中都是用該頻率。1970年無線輸電的先驅W.C.Brown以鋁條做半波偶極子和傳輸線，采用肖特基勢壘二極管和橋式整流方式，在頻率為2.45GHz時，獲得了 76%的整流效率。由于鋁條整流天線接收功率大、質量大，為了減輕重量與節約金屬材料，從20世紀80年代開始，印刷電路接收整流天線成為研究的重點。1982年，1C.Brown展示的印刷薄膜天線,整流效率達到了 85%。目前,工作在2.45GHz下的整流天線技術比較成熟，能夠輸出高于65%以上的直流能量。鑒于頻率為2.45GHz時系統的尺寸太大，成本偏高，為了減小天線的尺寸，工作于5.8GHz和35GHz的整流天線也相繼出現。Tae-WhanYoo, Kai Chang等人對頻率為35GHz的整流天線進行了詳細的研究，發現工作在35GHz下的整流天線雖然可以減少天線尺寸和傳輸較遠的距離，但是其造價昂貴，效率很低使它的應用受到了限制。然而，工作在5.SGHz下的整流天線不僅具有尺寸小的特點，并且還具有高效率傳輸，衰減小，造價低，更高的頻率范圍等優點，受到越來越多的青睞。S.S.Bharj,R.Camisa等提出了第一個工作于5.87GHz下的C波段整流天線，其轉換效率可高達80%。而后，美國航空航天局就把5.8GHz作為MPT的首選頻率，頻率為5.8GHz的高效率整流天線也成為了研究熱點。
[0005]目前，實現雙頻率和小型化成為了整流天線新的發展趨勢。由于頻率資源的緊缺現象日趨嚴重，雙頻整流天線這個新興概念的提出，可以緩解這一問題，因此近年來得到了人們的重視。人們對雙頻整流天線的研究時間還不長，所取得的成果也不太多，而兩個頻率之間相互影響導致的低整流效率，卻已經成為了制約雙頻率整流天線發展的一個障礙，給天線設計者帶來了新的挑戰。隨著集成電路技術和半導體技術的發展，MPT技術在低功耗電子設備中的應用得到了廣泛關注。為了得到緊湊結構的整流天線，許多帶有濾波結構的新型接收天線得到了設計者的青睞。近幾年，人們對這種結構形式的天線陣列進行了研究，如 Fu-Jhuan Hang, Tzong-Chee Yo 等人在文章 “Design of circular polarizationantenna with harmonic suppression for rectenna application，，,設計了一個步頁率為
2.45GHz的圓極化天線作為接收天線，此天線具有抑制諧波的作用，可以很好地抑制二次、三次諧波，起到了輸入濾波器的作用，這樣就可將輸入濾波器結構去掉，從而減小整個整流天線的尺寸。現有的技術的整流天線主要有以下幾種。
[0006]例如現有的接收天線是一個雙頻率的印刷偶極子天線，可以實現2.45GHz和
5.SGHz兩個頻率下的射頻能量的接收。在此設計中，新穎的輸入濾波器設計采用共面帶線(CPS)低通濾波器集成兩個開放式T形條狀的CPS帶阻濾波器結構來實現。這兩種濾波器的結合構成了一個雙頻帶帶通濾波器，抑制了整流二極管在2.45GHz和5.8GHz兩個頻率下產生的高次諧波。并且，利用二極管的閉合公式對Schottky 二極管進行了分析，選用MA4E1317型號的二極管，其較小的結電容提高了整流二極管的效率。旁路電容作為輸出濾波器來抑制負載的諧波。在距離整個電路17_處有一個反射器。此反射器不僅可以用來實現單向輻射，還可以增加天線的增益。此結構的整流天線可以在頻率為2.45GHz和5.SGHz下分別達到84.4%和82.7%的最大轉換效率。該整流天線存在以下不足:
O由于引入新穎的輸入濾波器結構，整個整流天線不夠緊湊；
2)偶極子天線的增益不高，由于引入反射器，結構復雜，不容易實現；
3)用兩個不同的天線分別實現兩個頻率的接收工作，造成整流天線尺寸偏大。
[0007]又例如接收天線是一個雙頻率環形開槽的微帶天線。在此天線中，兩個大小不同的環形槽可以分別實現2.45和5.8 GHz兩個頻率下的射頻能量的接收。同時，此接收天線的環形槽還可以實現圓極化的特性。其中，大環形槽實現左旋圓極化，而小環形槽實現右旋圓極化特性。接收天線后面分別接有兩個不同的整流電路來實現直流能量的輸出。整流電路采用HSMS-2862微波Schottky 二極管來實現整流。此型號的二極管為兩個級聯的二極管封裝而成。并且，采用倍壓電路的拓撲結構來提高輸出負載的電壓，此倍壓電路中的二極管對于負載端呈現串聯形式，而對于輸入端呈現的是并聯形式，以此來提高每個二極管的電壓從而提高負載的電壓。輸出電路中加入了扼流電感來避免輸出直流的測試，如電壓表的接入等對整流天線的影響。此結構的整流天線在頻率為2.45GHz和5.8GHz下分別達到55%和19%的最大轉換效率。該整流天線存在以下不足:
1)整個整流天線的效率較低；
2)兩個不同的天線連接兩個不同的整流電路分別實現2.45 GHz和5.8 GHz下的整流，此結構增加了天線的尺寸。并且，要分別調諧來實現各自的匹配。
[0008]例如接收天線是一個雙頻率開槽的微帶天線。在此微帶貼片中，一個為環形槽，另一個為矩形槽，分別實現2.45和5.8 GHz兩個頻率下的射頻能量的接收。其中，環形槽采用切口曲線和圓周技術來實現小型化。后端接有一個相同的微帶饋電同時給兩個頻率的天線饋電。從一段微帶饋電端口處看去，此天線具有諧波抑制的優點。為了更好的濾除二極管產生的諧波，輸入濾波器采用緊湊的發夾型低通濾波器。整流電路采用天線后面分別接有兩個不同的整流電路來實現直流能量的輸出。整流電路選用MA4E1317型號的二極管，其較小的結電容可以提高整流二極管的效率。并且，負載為51.3O，旁路電容為470/IFr，此時，可以輸出較大的直流電壓而且紋波電壓最小。此結構的整流天線在頻率為2.45GHz和5.8GHz下分別達到65%和46%的最大轉換效率。該整流天線存在以下不足:
1)有兩個不同的天線各自實現兩個頻率的接收工作；
2)調諧不方便；
3)5.8GHz的轉換效率不高。
【發明內容】
[0009]本發明為解決現有雙頻率接收天線尺寸較大，增益較小的問題；雙頻率整流天線尺寸較大，不能接收弱能量，不適應于遠距離傳輸，整流天線中的整流電路可靠性差的問題，而提供一種雙頻率接收天線和雙頻率整流天線。
[0010]本發明為解決上述問題所采用的技術方案是:
一種雙頻率接收天線，其特征在于:包括矩形輻射貼片，所述輻射貼片開設有用于實現雙頻特性的Z型槽，所述輻射貼片的下端經同軸線依次連接有介質基片層和金屬接地板，同軸線與后端電路連接，所述輻射貼片與介質基片層之間形成有空氣介質層，所述輻射貼片與介質基片層之間的同軸線外左右對稱的設置有金屬片；所述金屬片上端與輻射貼片連接，下端與介質層連接；所述福射貼片的一端面還連接有與介質層連接的金屬片。
[0011]進一步地,所述金屬接地板還開設有橫槽。
[0012]進一步地，所述同軸線的阻值為500。
[0013]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果；
一、本發明的雙頻率接收天線，包括矩形輻射貼片，輻射貼片開設有用于實現雙頻特性的Z型槽，輻射貼片的下端經同軸線依次連接有介質基片層和金屬接地板，同軸線與后端電路連接；輻射貼片與介質基片層形成有空氣介質層，輻射貼片與介質基片層之間的同軸線外左右對稱的設置有金屬片，金屬片上端與輻射貼片連接，下端與介質基片層連接；輻射貼片的一端面還連接有與介質基片層連接的金屬片。本發明通過開設Z型槽，來實現雙頻率特性；同軸線外左右對稱設置的金屬片，因為具有對稱性，抑制了天線所產生的其他高次模式，使整流天線具有抑制兩個頻率的高次諧波的作用，從而可以將現有整流電路中的輸入濾波器取代，實現小型化。輻射貼片端面設置的與介質基片層連接的金屬片相當于PIFA天線的短路片一樣，起到減少尺寸的作用。本發明設計的接收天線秉承了傳統PIFA天線的雙頻率和小型化的特性，并且具有抑制諧波的特性。
[0014]二、本發明的金屬接地板上開設有橫槽，不僅能改善天線的匹配，而且還大大提高了接收天線的增益，因此能夠接收更弱的能量，實現遠距離的傳輸。
[0015]
本發明提供的另一主題，一種雙頻率整流天線，其特征在于:包括上述的雙頻率接收天線，所述雙頻率接收天線經其同軸線依次串聯連接有輸入濾波結構、整流電路和輸出濾波結構，所述輸入濾波結構、整流電路和輸出濾波結構連接有匹配電路。
[0016]進一步地，所述整流電路為倍壓拓撲結構，所述倍壓拓撲結構包括射頻輸入端和負載直流輸出端，所述射頻輸入端與負載直流輸出端連接，所述射頻輸入端與負載直流輸出端之間還連接有三支路，所述第一支路串聯連接有一電容和一二極管，二極管的負極與電容連接，二極管的正極接地連接；所述第二支路為一二極管，所述二極管的負極接地連接；所述第三支路為一電容，所述電容的另一端接地連接。
[0017]進一步地，所述射頻輸入端與負載直流輸出端之間還串聯連接有扼流電感。
[0018]進一步地，所述匹配電路包括第一段L型匹配枝節，第二段匹配枝節和第三段L型匹配枝節，所述第一段L型匹配枝節實現輸入濾波結構與整流電路之間的匹配；所述第二段匹配枝節為用于實現第一段L型匹配枝節與整流電路之間匹配的高阻線匹配枝節；所述第三段L型匹配枝節實現整流電路和輸出濾波結構之間的匹配。
[0019]進一步地，所述輸入濾波結構為雙頻率帶通濾波器或者電容。
[0020]進一步地,所述雙頻帶通濾波器采用微帶傳輸線和開路枝節實現。
[0021]進一步地，所述輸出濾波結構為電容。
[0022]與現有技術相比，本發明提供的雙頻率整流天線具有以下有益效果:
一、本發明的雙頻率整流天線，包括上述的雙頻率接收天線，所述雙頻率接收天線經其同軸線依次串聯連接有輸入濾波結構、整流電路和輸出濾波結構，所述輸入濾波結構、整流電路和輸出濾波結構連接有匹配電路。本發明的雙頻率接收天線增益比傳統的PIFA天線高很多，天線能夠接收更弱的能量，實現遠距離的傳輸。
[0023]二、本發明的整流電路為倍壓拓撲結構，所述倍壓拓撲結構包括射頻輸入端和負載直流輸出端，所述射頻輸入端與負載直流輸出端連接，所述射頻輸入端與負載直流輸出端還連接有三支路，所述第一支路串聯連接有一電容和一二極管，二極管的負極與電容連接，二極管的正極接地連接；所述第二支路為一二極管，所述二極管的負極接地連接；所述第三支路為一電容，所述電容的另一端接地連接。此新型的倍壓電路是將兩個并聯的二極管與電容結合而構成的。電容具有隔直通交的特性，電容對于射頻端呈現短路狀態；而對于負載直流端，則電容呈現開路狀態。因此，此倍壓拓撲結構對于射頻端，兩個二極管呈并聯形式；而對于負載直流端，由于電容呈現開路狀態，則負載端與一個二極管呈串聯形式。若在此倍壓拓撲結構中的兩個二極管為相同型號，對于射頻端的輸入阻抗是單個二極管阻抗的一半，而對于負載直流端的輸入阻抗是一個二極管的阻抗。由此可見，負載直流端的輸入阻抗是射頻端的輸入阻抗的兩倍，達到輸出電壓加倍的效果。射頻輸入能量通過兩個并聯二極管實現整流，將射頻能量轉換成直流能量，并和電容構成這種新型的拓撲電路，在負載端達到倍壓的效果，輸出直流能量。并且，對于射頻端二極管呈并聯形式，則輸入阻抗變小，匹配電路的設計較容易。若有一個二極管被毀壞，則此電路變為一個二極管并聯的拓撲結構。雖然由于在這種情況下會造成電路的阻抗不匹配，引起整流電路的效率下降，但是還是比傳統的倍壓電路更可靠。
[0024]三、本發明的倍壓拓撲結構在射頻輸入端與負載直流輸出端之間還串聯連接有扼流電感，能夠更好的平整輸出波形。
[0025]四、本發明的匹配電路有三段匹配枝節。第一段和第三段為L型開路枝節，第二段為高阻線，幫助輸入濾波器抑制二極管非線性所產生的諧波，防止射頻能量的泄漏。調節各匹配枝節的尺寸，使其兩個頻率下的整流天線的最大輸出效率達到最優值，即不僅使整流天線在頻率為2.45GHz下的轉換效率達到最大值，而且也確保在同一功率下頻率為5.8GHz的轉換效率達到最大值。[0026]五、本發明的輸入濾波結構為雙頻率帶通濾波器或者電容，雙頻率帶通濾波器可以抑制后面整流二極管非線性產生的諧波，減少其對接收天線的性能影響，能夠很好的抑制高次諧波；由于本發明的雙頻率接收天線具有抑制高次諧波的作用，所以可以將輸入濾波結構設為一電容，電容不僅像雙頻帶通濾波器一樣抑制高次諧波，并且保護天線的阻抗不受反向電流的影響，使得本發明能夠進一步實現小型化的目的。
[0027]六、本發明的輸出濾波結構為電容，輸出濾波結構配合輸入濾波結構將諧波抑制在整流電路中，提高整流效率。并且，消除輸出濾波結構的紋波，使輸出電壓波形更平滑。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明的雙頻率接收天線的左視圖結構示意圖；
圖2是本發明的雙頻率接收天線的主視圖結構示意圖；
圖3是本發明的雙頻率接收天線的俯視圖結構示意圖；
圖4是現有的倍壓拓撲結構示意圖；
圖5是本發明的倍壓拓撲結構示意圖；
圖6是本發明雙頻率整流天線結構示意圖；
圖7是雙頻率接收天線的S參數曲線；
圖8是雙頻率帶通濾波器的結構版圖；
圖9是天線和濾波器聯合仿真的S參數；
圖10是負載在不同功率下輸出的波形；
圖11 Ca)是2.45GHz的整流天線的轉換效率圖；
圖11 (b)是5.8GHz的整流天線的轉換效率圖；
圖12 (a)是2.45GHz頻率的S參數曲線；
圖12 (b)是5.8GHz頻率的S參數曲線；
圖13 (a)是2.45GHz頻率的諧波抑制圖；
圖13 (b)是5.8GHz頻率的諧波抑制圖；
圖中標記:1、空氣介質層，2、介質基片層，3、金屬接地板，4、同軸線，5、橫槽，6、輻射貼片，7、Z型槽，8、金屬片。
【具體實施方式】
[0029]下面將結合附圖及具體實施例對本發明作進一步的描述，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，并不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域的普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的其他所有實施例，都屬于本發明的保護范圍。
[0030]實施例一
本實施例的雙頻率接收天線，包括矩形輻射貼片，輻射貼片開設有用于實現雙頻特性的Z型槽，所述輻射貼片的下端經同軸線依次連接有FR4介質基片層和金屬接地板，同軸線與后端電路連接，所述輻射貼片與FR4介質基片層之間形成有空氣介質層，所述輻射貼片與FR4介質基片層之間的同軸線外左右對稱的設置有金屬片，所述金屬片上端與輻射貼片連接，下端與FR4介質基片層連接；所述輻射貼片的一端面還連接有與FR4介質基片層連接的金屬片。[0031]本實施例，矩形貼片的長度為17.4mm，寬度為13mm，FR4介質基片層為環氧玻璃纖維板，FR4介質基片層的高度為1.6mm。
[0032]進一步地，所述金屬接地板還開設有橫槽，本實施例的橫槽的寬度為2mm，長度為18mm,距離同軸線圓心6_處。
[0033]進一步地，所述同軸線的阻值為50 Q0
[0034]輻射貼片端面設置的與FR4介質層連接的金屬片相當于PIFA天線的短路片一樣，起到減少尺寸的作用，使天線的寬從34mm減小到了 26_。本發明設計的接收天線秉承了傳統PIFA天線的雙頻率和小型化的特性，而且具有抑制諧波的特性。
[0035]實施例二
本實施例的雙頻率接收天線，包括矩形輻射貼片，輻射貼片開設有用于實現雙頻特性的Z型槽，所述輻射貼片的下端經同軸線依次連接有Arlon 25N (阿爾隆25N，聚四氟乙烯)介質基片層和金屬接地板，同軸線與后端電路連接，所述輻射貼片與Arlon 25N介質基片層之間形成有空氣介質層，所述輻射貼片與Arlon 25N介質基片層之間的同軸線外左右對稱的設置有金屬片，所述金屬片上端與輻射貼片連接，下端與Arlon 25N介質基片層連接；所述福射貼片的一端面還連接有與Arlon 25N介質基片層連接的金屬片。
[0036]本實施例,矩形貼片的長度為17.7mm,寬度為13.2mm, Arlon 25N介質基片層為環氧玻璃纖維板，Arlon 25N介質基片層的高度為2.8mm。
[0037]進一步地，所述金屬接地板還開設有橫槽，本實施例的橫槽的寬度為2mm，長度為18mm,距離同軸線圓心6_處。
[0038]進一步地，所述同軸線的阻值為50 0。
[0039]本發明的介質基片層還可以采用其他類型的介質基片層，本領域的技術人員能夠明白和理解。
[0040]本發明的接收天線是基于傳統的PIFA天線理論所設計而成。通過對傳統的PIFA天線進行改造，并引入地面開槽技術和諧波抑制技術，使該天線的性能更優。該接收天線不僅可應用于微波輸能，還可以應用于通信等領域。
[0041]實施例三
本實施例的雙頻率整流天線，包括上述的雙頻率接收天線(實施例一或者實施例二)，所述雙頻率接收天線經其同軸線依次串聯連接有輸入濾波結構、整流電路和輸出濾波結構，所述輸入濾波結構、整流電路和輸出濾波結構連接有匹配電路。
[0042]進一步地，所述整流電路為倍壓拓撲結構，所述倍壓拓撲結構包括射頻輸入端和負載直流輸出端，所述射頻輸入端與負載直流輸出端連接，所述射頻輸入端與負載直流輸出端之間還連接有三支路，所述第一支路串聯連接有一電容和一二極管，二極管的負極與電容連接，二極管的正極接地連接；所述第二支路為一二極管，所述二極管的負極接地連接；所述第三支路為一電容，所述電容的另一端接地連接。
[0043]此新型的倍壓電路是將兩個并聯的二極管與電容結合而構成的。電容具有隔直通交的特性，電容對于射頻端呈現短路狀態；而對于負載直流端，則電容呈現開路狀態。因此，此倍壓拓撲結構對于射頻端，兩個二極管呈并聯形式；而對于負載直流端，由于電容呈現開路狀態，則負載端與一個二極管呈串聯形式。若在此倍壓拓撲結構中的兩個二極管為相同型號，對于射頻端的輸入阻抗是單個二極管阻抗的一半，而對于負載直流端的輸入阻抗是一個二極管的阻抗。由此可見，負載直流端的輸入阻抗是射頻端的輸入阻抗的兩倍，達到輸出電壓加倍的效果。射頻輸入能量通過兩個并聯二極管實現整流，將射頻能量轉換成直流能量，并和電容構成這種新型的拓撲電路，在負載端達到倍壓的效果，輸出直流能量。并且，對于射頻端二極管呈并聯形式，則輸入阻抗變小，匹配電路的設計較容易。若有一個二極管被毀壞，則此電路變為一個二極管并聯的拓撲結構。雖然由于在這種情況下會造成電路的阻抗不匹配，引起整流電路的效率下降，但是還是比傳統的倍壓電路更可靠。
[0044]整流電路采用如圖5所示的倍壓拓撲結構來完成射頻能量到直流能量的整流。倍壓拓撲結構的二極管選用HSMS2860型號的二極管，具有較小的結電容，損耗電阻，及較高的擊穿電壓的優點。與傳統的整流電路中的倍壓拓撲結構不同的是，此倍壓電路是將二極管與電容結合構成一種新型的倍壓電路。由于電容對于射頻端呈現短路狀態，而對于負載直流端，則電容呈現開路狀態。因此，此倍壓拓撲結構對于射頻端，兩個二極管呈并聯形式；而對于負載直流端，由于電容呈現開路狀態，則負載端與一個二極管呈串聯形式。若在此倍壓拓撲結構中的兩個二極管為相同型號，對于射頻端的輸入阻抗是單個二極管阻抗的一半，而對于負載直流端的輸入阻抗是一個二極管的阻抗。由此可見，負載直流端的輸入阻抗是射頻端的輸入阻抗的兩倍，達到輸出電壓的效果。并且，對于射頻端二極管呈并聯形式，則輸入阻抗變小，匹配電路的設計較容易。若有一個二極管被毀壞，則此電路變為一個二極管并聯的拓撲結構。雖然由于在這種情況下會造成電路的阻抗不匹配，引起整流電路的效率下降，但是還是比傳統的倍壓電路更可靠。
[0045]進一步地，所述匹配電路包括第一段L型匹配枝節，第二段匹配枝節和第三段L型匹配枝節，所述第一段L型匹配枝節實現輸入濾波結構與整流電路之間的匹配；所述第二段匹配枝節為用于實現第一段L型匹配枝節與整流電路之間匹配的高阻線匹配枝節；所述第三段L型匹配枝節實現整流電路和輸出濾波結構之間的匹配。
[0046]第一段和第三段L型匹配枝節具有同樣的原理。采用的是頻率為5.SGHz下的半波長開路枝節作為匹配電路并聯在整流電路中。為了減小尺寸，將開路枝節對折為L型開路枝節。此結構在頻率為5.SGHz下呈開路狀態，不會影響5.SGHz下整流電路阻抗匹配的調節。對于2.45GHz，此結構為獨立的調諧元件。第一段L型匹配枝節實現的是輸入濾波器和整流電路之間的匹配電路，而第三段L型匹配枝節實現的是整流電路和輸出濾波電路之間的匹配。而第二段匹配電路在第一段匹配電路和整流電路之間，為高阻線匹配枝節。此匹配枝節抑制二極管產生的射頻能量，并與前面的輸入濾波器一起防止射頻能量的泄露到接收天線中。L型開路枝節不僅方便調諧，較容易地達到阻抗匹配，而且其開路結構在加工中容易實現。
[0047]調節各匹配枝節的尺寸，使其兩個頻率下的整流天線的最大輸出效率達到最優值，即不僅使整流天線在頻率為2.45GHz下的轉換效率達到最大值，而且也要確保在同一功率下頻率為5.8GHz的轉換效率達到最大值。
[0048]進一步地，所述輸入濾波結構為雙頻率帶通濾波器。雙頻帶通濾波器采用微帶傳輸線和開路枝節實現，可以抑制后面整流二極管非線性產生的諧波，減少其對接收天線的性能影響，能夠很好的抑制高次諧波。通過對低通原型濾波器進行兩次頻率變換，得到雙頻率帶通濾波器。該濾波器采用微帶傳輸線和開路枝節實現，具有對稱性，結構版圖如圖8所示。該輸入濾波器可以抑制后面整流二極管非線性產生的諧波，減少其對接收天線的性能影響，將天線與濾波器聯合仿真如圖9所示。
[0049]本實施例的輸出濾波結構采用IOnF的電容作為輸出濾波器，配合輸入濾波器將諧波抑制在整流電路中，提高整流效率。并且，消除輸出濾波器的紋波，使輸出電壓波形更平滑。由于整個電路中的元件封裝參數的影響，會導致負載輸出波形變差，將加入等效為并聯電容的扇形開路枝節，配合旁路電容一起消除紋波，平滑波形。為了減小負載端的改變對整流電路性能的影響，負載端將采用一個扼流電感。最后，整流天線的輸出波形如圖10所
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[0050]采用HFSS和ADS仿真軟件進行了整流天線的仿真，此接收天線S參數曲線如圖7所示。接收天線在兩個頻率下的增益分別為6.07 dB和6.54dB。并且，2.45和5.8 GHz下的二次諧波分別為2.9 dB和2.56dB，三次諧波分別為3.7 dB和2.27 dB。發射天線采用喇叭天線將電磁波能量發射到自由空間，并用本實施例的接收天線接收，然后，射頻能量通過50O的同軸線饋入到后端的電路中。射頻能量再通過隔直電容、L型匹配枝節，以及新型的倍壓拓撲電路實現射頻能量和直流能量的轉換。最后，將直流能量經過扇形濾波器和旁路電容進行濾波整形，通過扼流電感，輸送到負載端。通過調節短路枝節，實現在2.45GHz和5.8GHz的轉換效率最大，其最大值在功率為16.5dBm下分別為69.3%和56.5%。2.45GHz的整流天線的轉換效率如圖11 (a)，5.8GHz的整流天線的轉換效率11 (b)所示。在功率為16.5dBm時，兩個頻率下的Sll參數分別為_23.dB和-14.17dB，S參數曲線如圖12(a)、12 (b)所示，12 (a)為2.45GHz S參數曲線，12 (b)為5.8GHz S參數曲線。諧波抑制如圖13 (a)、13 (b)所示，13 (a)為2.45GHz諧波抑制圖，13 (b)為5.8GHz諧波抑制圖，其一次諧波分別為-101.5 dBm和-37.4 dBm,各個高次諧波都在_20dBm以下，諧波抑制較好。
[0051]實施例四
本實施例的雙頻率整流天線，包括上述的雙頻率接收天線(實施例一或者實施例二)，所述雙頻率接收天線經其同軸線依次串聯連接有輸入濾波結構、整流電路和輸出濾波結構，所述輸入濾波結構、整流電路和輸出濾波結構連接有匹配電路。
[0052]進一步地，所述整流電路為倍壓拓撲結構，所述倍壓拓撲結構包括射頻輸入端和負載直流輸出端，所述射頻輸入端與負載直流輸出端連接，所述射頻輸入端與負載直流輸出端之間還連接有三支路，所述第一支路串聯連接有一電容和一二極管，二極管的負極與電容連接，二極管的正極接地連接；所述第二支路為一二極管，所述二極管的負極接地連接；所述第三支路為一電容，所述電容的另一端接地連接。
[0053]進一步地，所述射頻輸入端與負載直流輸出端之間還串聯連接有扼流電感。
[0054]進一步地，所述匹配電路包括第一段L型匹配枝節，第二段匹配枝節和第三段L型匹配枝節，所述第一段L型匹配枝節實現輸入濾波結構與整流電路之間的匹配；所述第二段匹配枝節為用于實現第一段L型匹配枝節與整流電路之間匹配的高阻線匹配枝節；所述第三段L型匹配枝節實現整流電路和輸出濾波結構之間的匹配。
[0055]進一步地，所述輸入濾波結構為電容。
[0056]進一步地，所述輸出濾波結構為電容。
[0057]本發明的雙頻率接收天線，是通過對傳統的PIFA天線進行改造而得到的，通過地面開槽技術增加了接收天線的增益，解決了傳統PIFA天線增益較小的問題，使該整流天線能夠接收更弱的能量，適應于更遠距離的能量傳輸。通過在輻射貼片左右兩對稱邊加入尺寸相同的金屬片，減少了產生的高次模式，抑制了諧波，使后端的輸入濾波器可以被一個隔直電容所取代，從而減少了整流天線的整體尺寸；提高了傳統PIFA天線的性能，為諧波抑制和高增益天線提供了 一種設計思路。
[0058]本發明設計的整流電路，其新穎的倍壓拓撲結構對倍壓電路提供了一個新的思路。通過電容隔直通交的特性，使兩個二極管對于射頻端口為并聯，對于直流端口為串聯，實現了倍壓的效果。并且，較傳統的倍壓拓撲電路，可靠性更高。該設計結構新穎，可靠性高，可以廣泛應用于整流電路中。
[0059]本發明設計的雙頻率整流天線，可以通過簡單地調節L型匹配枝節就可以完成
2.45和5.8GHz雙頻率整流天線的轉換效率。并且，減小了在同一個整流電路中兩個頻率之間的相互影響。該技術調諧方便，解決了在同一個整流電路中兩個頻率下的匹配問題，使提高雙頻率整流天線的轉換效率提供了有效途徑。該調諧技術不僅可以應用于雙頻率整流天線的整流電路設計，而且還可以廣泛的應用于任何小尺寸的雙頻率電路的匹配。
[0060]整個整流天線的設計結構新穎，性能優良，可靠性高，其特性可以廣泛應用于如通信，醫療，工業等微波輸能的各個領域中。
【權利要求】
1.一種雙頻率接收天線，其特征在于:包括矩形輻射貼片，所述輻射貼片開設有用于實現雙頻特性的Z型槽，所述輻射貼片的下端經同軸線依次連接有介質基片層和金屬接地板，同軸線與后端電路連接，所述輻射貼片與介質基片層之間形成有空氣介質層，所述輻射貼片與介質基片層之間的同軸線外左右對稱的設置有金屬片；所述金屬片上端與輻射貼片連接，下端與介質層連接；所述福射貼片的一端面還連接有與介質層連接的金屬片。
2.根據權利要求1所述的雙頻率接收天線，其特征在于:所述金屬接地板還開設有橫槽。
3.根據權利要求1或2所述的雙頻率接收天線制成的一種雙頻率整流天線，其特征在于:包括上述的雙頻率接收天線，所述雙頻率接收天線經其同軸線依次串聯連接有輸入濾波結構、整流電路和輸出濾波結構，所述輸入濾波結構、整流電路和輸出濾波結構連接有匹配電路。
4.根據權利要求3所述的雙頻率整流天線，其特征在于:所述整流電路為倍壓拓撲結構，所述倍壓拓撲結構包括射頻輸入端和負載直流輸出端，所述射頻輸入端與負載直流輸出端連接，所述射頻輸入端與負載直流輸出端之間還連接有三支路，所述第一支路串聯連接有一電容和一二極管，二極管的負極與電容連接，二極管的正極接地連接；所述第二支路為一二極管，所述二極管的負極接地連接；所述第三支路為一電容，所述電容的另一端接地連接。
5.根據權利要求4所述的雙頻率整流天線，其特征在于:所述射頻輸入端與負載直流輸出端之間還串聯連接有扼流電感。
6.根據權利要求4或5所述的雙頻率整流天線，其特征在于:所述匹配電路包括第一段L型匹配枝節，第二段匹配枝節和第三段L型匹配枝節，所述第一段L型匹配枝節實現輸入濾波結構與整流電路之間的匹配；所述第二段匹配枝節為用于實現第一段L型匹配枝節與整流電路之間匹配的高阻線匹配枝節；所述第三段L型匹配枝節實現整流電路和輸出濾波結構之間的匹配。
7.根據權利要求6所述的雙頻率整流天線，其特征在于:所述輸入濾波結構為雙頻率帶通濾波器或者電容。
8.根據權利要求7所述的雙頻率整流天線，其特征在于:所述雙頻帶通濾波器采用微帶傳輸線和開路枝節實現。
9.根據權利要求7所述的雙頻率整流天線，其特征在于:所述輸出濾波結構為電容。
【文檔編號】H01Q5/10GK103474778SQ201310416420
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月13日 優先權日:2013年9月13日
【發明者】楊雪松, 盧萍, 王秉中 申請人:電子科技大學