一種小型化高效微波輸能整流陣的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微波無線能量傳輸領域，具體涉及一種微波能量的接收和轉化裝置以及其組陣的方式，用于將微波能量轉化為電能。
【背景技術】
[0002]太陽每秒鐘供給地球的能量達到4.1 X 1013千卡，相當于每秒鐘燃燒500萬噸優質燃煤所發出的能量。而散失在太空中的太陽能要比供給地球的能量多22億倍。若將巨大的太陽能電池陣放置在地球軌道上，能夠將用之不竭的太陽能轉化成數千兆瓦級的電能，能量轉換裝置將電能轉換成微波(微波發射機)，再利用太空高功率天線陣向地面發送微波能，微波能傳輸到地面微波接收站，大規模接收天線陣將接收到的微波能轉變成電能。
[0003]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、電波福射式三種。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。MPT有下面三個過程:1)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，主要裝置是接收整流天線及整流電路，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]接收整流天線是MPT系統的關鍵技術，早期的接收整流天線一般為拋物面天線或喇叭天線，但天線體積大、重量高、不易組陣；此后，多用鋁條做成半波偶極子天線用于接收，在一定程度上減小了接收天線的重量和體積；現在，為進一步減輕重量，節省金屬材料以及減小體積，印刷電路接收整流天線成為研究的重點。現有整流天線及電路安裝方式固定，大多數集成在同一電路板上。微波波束多為高斯分布，其能量分布不均勻，所以傳統整流天線及電路設計為一體不易于靈活組陣接收微波能量。
【發明內容】
[0005]為了克服現有技術的不足，本發明提供一種小型化高效微波輸能整流陣，接收天線和整流電路采用SMA線纜連接，方便靈活拆卸組陣，滿足整流天線與用電設備進行集成及小型化、便攜式的需求，采用垂直于天線陣底面的印刷偶極子天線，大大減小天線陣橫向體積，密集排布從而更加充分的接收微波能量。
[0006]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:包括若干個小型化接收天線、射頻電纜和整流電路，所述的小型化接收天線和整流電路分別用印刷電路印制在不同的介質基片上，小型化接收天線和整流電路之間通過射頻線纜連接。
[0007]所述的小型化接收天線為對稱偶極子形式，采用寬帶巴倫耦合饋電。
[0008]所述小型化接收天線的工作頻率為2.45GHz，介質基片的介電常數為4.4，厚度為1.5mm ο
[0009]所述的小型化接收天線均安裝在天線陣面上，各個小型化接收天線的介質基片相互平行且均與天線陣面垂直。
[0010]所述小型化接收天線為密集排布，相鄰小型化接收天線的間距小于工作波長的四分之一。
[0011]所述射頻電纜采用低損耗同軸線纜，兩端接頭均為SMA連接器。
[0012]所述整流電路包括阻抗匹配枝節，整流二極管及低通濾波器，均印刷在介質基片一側；阻抗匹配枝節實現小型化接收天線與整流二極管之間的匹配，將射頻電纜輸入的微波能量傳輸至整流二極管；整流二極管將微波能量轉化為直流電壓，經低通濾波器反射高次諧波，輸出無高次諧波干擾的直流電壓。
[0013]本發明的有益效果是:
[0014]第一、體積小、結構簡單、易于加工。
[0015]第二、接收天線和整流電路采用分離式設計，之間采用射頻電纜連接，使用靈活，相比整流陣列制作在同一介質基片上，更易于組陣。
[0016]第三、接收天線采用寬帶巴倫耦合饋電，由于寬帶巴倫平衡饋電，可獲得規整的方向圖，而耦合饋電能獲得較寬的帶寬，提高了能量傳輸的效率。
[0017]第四、整流電路所有組成部分均在介質板一側，且結構簡單僅包含一個阻抗匹配枝節、一個整流二極管及一個低通濾波器，易于制版加工。
[0018]第五、接收整流天線陣使用密集布陣形式，相對于傳統的天線間距四分之波長的接收陣更充分的接收來自發射天線的微波能量，提高整流效率。
【附圖說明】
[0019]圖1是整流組件整體結構示意圖。
[0020]圖2是整流天線結構示意圖，其中，(a)是主視圖，(b)是后視圖。
[0021 ]圖3是射頻電纜結構示意圖。
[0022]圖4是整流電路結構示意圖。
[0023]圖5是整流天線陣示意圖。
[0024]圖6是整流天線駐波曲線圖。
[0025]圖7是整流電路輸入功率S11仿真圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明，本發明包括但不僅限于下述實施例。
[0027]本發明提供了一種分離式整流組件，接收天線與整流電路分離設計，使用低損耗射頻電纜線連接，使用靈活易于組陣，并且提供了一種緊湊型天線布陣方式來更好地接收微波能量。
[0028]本發明分離式設計使得接收整流陣可以靈活組陣，在波束增益、能量密度高的范圍內可以使用單個接收天線連接單個整流單元，而在波束增益、能量密度低的范圍內可以使用多個接收天線連接一個整流單元的形式來提高整流電流，使得整個接收陣面提取出的直流電流分布均勻，便于后端合成大電流直流電以供使用。
[0029]本發明針對傳統微波整流陣的間距四分之波長布陣方式，提出了一種密集式布陣形式，此種布陣形式可最大程度接收發射天線發射到接收天線陣口面的微波能量，提高接收效率。
[0030]如圖1所示，本發明包括若干個小型化接收天線、射頻電纜和整流電路。
[0031]所述的小型化接收天線和整流電路分別用印刷電路印制在不同的介質基片上，二者使用射頻線纜連接起來。
[0032]所述的小型化接收天線設計成對稱偶極子的形式，采用寬帶巴倫耦合饋電，天線的工作頻率為2.45GHz，介質基片的介電常數為4.4，厚度為1.5mm。小型化接收天線均安裝在天線陣面上，且各個小型化接收天線的介質板相互平行且均與天線陣面垂直，與平面印刷微帶天線相比可以密集排布，與天線陣表面功率密度相適應，充分利用天線陣表面接收到的能量。
[0033]所述射頻電纜采用低損耗同軸線纜，兩個接頭均為SMA連接器。
[0034]所述整流電路由阻抗匹配枝節，整流二極管及低通濾波器組成。阻抗匹配枝節實現接收天線與整流二極管之間的匹配，使得微波能量高效傳輸至整流二極管；微波能量經整流二極管后會產生直流電壓；直流電經低通濾波器后反射高次諧波，使整個整流電路輸出無高次諧波干擾的直流電壓。
[0035]所述天線陣為密集排布，其陣元間距小于四分之一工作波長，與傳統天線陣不同。
[0036]如圖2所示，小型化接收天線1由寬帶耦合饋電巴倫11，偶極子振子臂12，地板13及SMA頭14組成。小型化接收天線1制作在雙面覆銅、介電常數4.4、厚度1.5mm的板材上。整流天線正面如圖2(a)所示，偶極子振子臂12作為輻射體與寬帶耦合饋電巴倫11正面相連接，寬帶親合饋電巴倫11反面通過短路釘與偶極子任意一臂相連，增加帶寬。寬帶耦合饋電巴倫11正面與地板13連接。SMA頭14芯線與寬帶耦合饋電巴倫11反面焊接，SMA頭14外導體與地板13焊接。
[0037]如圖3所示，射頻電纜2由SMA頭21、23和同軸線纜22組成，同軸線纜22宜選用低損耗線纜，且長度不易過長，以減少能量在電纜上的損耗。
[0038]如圖4所示，整流電路3由阻抗匹配枝節31，整流二極管32及低通濾波器33組成，采用印刷電路制作在同一介質板上。介質板介電常數3.0，厚度為0.8_。采用印刷技術在介質板的兩面覆蓋金屬銅薄膜，一面為整流功能電路，另一面為接地面，整流電路工作頻率為2.45GHzο阻抗匹配枝節31用于整流二極管32和接收天線1之間的阻抗匹配。整流二極管32連接在阻抗匹配枝節31和低通濾波器33之間，將微波轉化為直流電壓。低通濾波器33連接在整流二極管32和輸出電壓端之間，實現基波無損耗通過，并反射由非線性元件整流二極管32產生的高次諧波。最終由低通濾波器33末端導線輸出直流電壓。
[0039]如圖5所示，整流天線陣的天線單元41與天線陣地板42垂直，陣元間距小于四分之波長，呈密集排布，與傳統天線陣相比可以更充分的接收傳輸到天線陣表面的微波能量。
【主權項】
1.一種小型化高效微波輸能整流陣，包括若干個小型化接收天線、射頻電纜和整流電路，其特征在于:所述的小型化接收天線和整流電路分別用印刷電路印制在不同的介質基片上，小型化接收天線和整流電路之間通過射頻線纜連接。2.根據權利要求1所述的小型化高效微波輸能整流陣，其特征在于:所述的小型化接收天線為對稱偶極子形式，采用寬帶巴倫耦合饋電。3.根據權利要求1所述的小型化高效微波輸能整流陣，其特征在于:所述小型化接收天線的工作頻率為2.45GHz，介質基片的介電常數為4.4，厚度為1.5mm。4.根據權利要求1所述的小型化高效微波輸能整流陣，其特征在于:所述的小型化接收天線均安裝在天線陣面上，各個小型化接收天線的介質基片相互平行且均與天線陣面垂直。5.根據權利要求1所述的小型化高效微波輸能整流陣，其特征在于:所述小型化接收天線為密集排布，相鄰小型化接收天線的間距小于工作波長的四分之一。6.根據權利要求1所述的小型化高效微波輸能整流陣，其特征在于:所述射頻電纜采用低損耗同軸線纜，兩端接頭均為SMA連接器。7.根據權利要求1所述的小型化高效微波輸能整流陣，其特征在于:所述整流電路包括阻抗匹配枝節，整流二極管及低通濾波器，均印刷在介質基片一側；阻抗匹配枝節實現小型化接收天線與整流二極管之間的匹配，將射頻電纜輸入的微波能量傳輸至整流二極管；整流二極管將微波能量轉化為直流電壓，經低通濾波器反射高次諧波，輸出無高次諧波干擾的直流電壓。
【專利摘要】本發明提供了一種小型化高效微波輸能整流陣，包括若干個小型化接收天線、射頻電纜和整流電路，所述的小型化接收天線和整流電路分別用印刷電路印制在不同的介質基片上，小型化接收天線和整流電路之間通過射頻線纜連接。本發明方便靈活拆卸組陣，滿足整流天線與用電設備進行集成及小型化、便攜式的需求，采用垂直于天線陣底面的印刷偶極子天線，大大減小天線陣橫向體積，密集排布從而更加充分的接收微波能量。
【IPC分類】H01Q1/24
【公開號】CN105337021
【申請號】CN201510655015
【發明人】張佳, 梁西銘, 張海光, 張驊, 張琦, 郭衛展, 許奎, 尤浩
【申請人】中國電子科技集團公司第二十研究所
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2015年10月12日