本發(fā)明涉及微波無線能量傳輸技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種結(jié)構(gòu)緊湊的微波整流天線。

背景技術(shù)：

微波無線能量傳輸(mpt：microwavepowertransmission)技術(shù)是一種不經(jīng)由物理線路，通過微波輻射方式發(fā)射、傳輸和接收能量的技術(shù)。相較于有線輸能方式，微波無線能量傳輸技術(shù)在很多應(yīng)用場景中有著無可比擬的優(yōu)勢。微波無線能量傳輸技術(shù)的傳輸功率密度可控、高自由度、性能優(yōu)越，可以應(yīng)用于外太空能量傳輸?shù)却蠊β蕚鬏攬鼍耙约盁o線傳感器供電、體內(nèi)醫(yī)療設(shè)備供電等小功率應(yīng)用場景。自1964年mpt概念被提出后，人們對其相關(guān)技術(shù)進行了大量研究。前期研究重點主要集中于太空發(fā)電、微波驅(qū)動無人機、高空作業(yè)平臺等大功率傳輸場合。而隨著集成電路以及半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，各類電子電路尺寸的不斷小型化，mpt研究在小功率應(yīng)用領(lǐng)域中也得到了廣泛關(guān)注，其應(yīng)用研究主要集中在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電、小型電子設(shè)備無線充電，體內(nèi)醫(yī)學(xué)設(shè)備續(xù)航等場合。這些實際應(yīng)用對mpt技術(shù)的實現(xiàn)提出了高效化、小型化以及集成化的要求。

mpt系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是接收模塊，包括接收天線(antenna)與整流器(rectifier)兩部分，合稱整流天線(rectenna)，其工作效果直接影響了微波能量傳輸?shù)恼w效率。其主要技術(shù)指標(biāo)包括：接收天線的增益與微波整流器的整流效率。而針對不同的應(yīng)用場景，還對整流天線有體積大小、制作難度、工作頻率、轉(zhuǎn)換效率等各項指標(biāo)的要求。

傳統(tǒng)整流天線的工作頻率較低、體積較大、結(jié)構(gòu)松散以及轉(zhuǎn)換效率較低，在低功耗、高集成度的應(yīng)用場合的使用受到較大的限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決以上現(xiàn)有技術(shù)的整流天線體積較大、結(jié)構(gòu)松散的缺陷，提供了一種新型的微波整流天線，該微波整流天線結(jié)構(gòu)緊湊，橫剖面面積小，有利于對整流天線的小型化、集成化。

為實現(xiàn)以上發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案是：

一種結(jié)構(gòu)緊湊的微波整流天線，包括接收天線和整流器，接收天線通過探針與整流器電連接，所述接收天線包括地平面和輻射面，其中輻射面設(shè)置在地平面的上方，地平面、輻射面之間留有作為空氣隙存在的間距，探針的一端穿出地平面后與輻射面電連接；所述整流器設(shè)置在地平面的底面上，其輸入端與探針的另一端電連接。

上述方案中，接收天線接收微波能量，然后通過探針將接收的微波能量輸入至整流器進行整流處理。由于地平面是設(shè)置于輻射面下方的，接收天線相當(dāng)于采用雙層結(jié)構(gòu)，進一步地，整流器設(shè)置在地平面的底面上，可以降低整流天線整體的尺寸，減少橫剖面面積，使得整流天線結(jié)構(gòu)更加的緊湊。

優(yōu)選地，所述地平面包括介質(zhì)層和覆銅層，介質(zhì)層的頂面與覆銅層的底面貼合；所述輻射面包括介質(zhì)層和覆銅層，介質(zhì)層的頂面與覆銅層的底面貼合；探針依次穿出地平面的介質(zhì)層、地板的覆銅層、輻射面的介質(zhì)層后與輻射面的覆銅層電連接。地平面的覆銅層構(gòu)成地平面，輻射板的覆銅層構(gòu)成輻射單元，兩覆銅層之間間隔著介質(zhì)層和空氣隙，由此，兩覆銅層之間的相對介電常數(shù)減少，有利于抑制各元素間的雜散波串?dāng)_，易于組陣。

優(yōu)選地，所述輻射面的橫向剖面呈圓形；所述地平面的橫向剖面呈正方形。

優(yōu)選地，所述地平面通過支柱與輻射面連接。

優(yōu)選地，所述地平面通過至少2個支柱與輻射面連接，至少2個支柱以輻射面的中心處為圓心在圓周方向上均勻分布。

優(yōu)選地，所述地平面、輻射面采用聚四氟乙烯單面覆銅板。

優(yōu)選地，所述整流器包括輸入接口、阻抗匹配電路、諧波濾波器、整流二極管、基頻濾波器和負(fù)載，其中所述輸入接口與探針的另一端電連接，輸入接口通過阻抗匹配電路與諧波濾波器的輸入端、基頻濾波器的輸入端電連接，諧波濾波器的輸出端與整流二極管的陰極電連接，整流二極管的陽極與地平面電連接，基頻濾波器的輸出端與負(fù)載的一端電連接，負(fù)載的另一端與地平面電連接。整流器接收探針傳輸?shù)奈⒉芰亢?，將微波能量?jīng)過阻抗匹配電路、諧波濾波器傳輸至整流二極管進行整流處理，微波能量經(jīng)過整流處理后形成輸出電流，輸出電流經(jīng)過諧波濾波器的濾波作用后去除其中的諧波成分，然后提供給與基頻濾波器輸出端連接的負(fù)載使用。其中基頻濾波器用于阻隔從輸入接口饋入的微波基頻能量到達(dá)負(fù)載，阻抗匹配電路用于對整流器的輸入阻抗進行匹配，使得微波能量能夠充分饋入整流器。

優(yōu)選地，所述諧波濾波器包括二次諧波扇形濾波器和三次諧波扇形濾波器，二次諧波扇形濾波器、三次諧波扇形濾波器與阻抗匹配電路的輸出端、整流二極管的陰極電連接；所述基頻濾波器為扇形濾波器，與阻抗匹配電路的輸出端、負(fù)載的一端電連接。所述二次諧波扇形濾波器和三次諧波扇形濾波器分別用于阻隔整流二極管整流過程中產(chǎn)生的二次諧波與三次諧波，把高次諧波有效約束在諧波濾波器和整流二極管之間，提高整流效率，同時還對整流二極管的輸入阻抗進行匹配，以減少能量反射。

優(yōu)選地，所述整流二極管為肖特基二極管。肖特基二極管具有低功耗，大電流，反向恢復(fù)時間短，正向?qū)妷旱偷膬?yōu)點，適用于微波rfid的應(yīng)用場合。

優(yōu)選地，所述阻抗匹配電路為單枝節(jié)匹配電路，所述輸入接口為四分之一波長微帶線。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1.接收天線采用雙層結(jié)構(gòu)，整流器設(shè)置在地平面的底面上，可以降低整流天線整體的尺寸，減少橫剖面面積，使得整流天線結(jié)構(gòu)更加的緊湊。

2.接收天線采用空氣隙結(jié)構(gòu)，有利于消除各元素間雜散波的串?dāng)_，易于組陣。

3.接收天線輻射效率高，能量得以充分利用。

附圖說明

圖1為微波整流天線的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為微波整流天線的俯視圖。

圖3為微波整流天線的側(cè)視圖。

圖4為微波整流天線的仰視圖。

具體實施方式

附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；

以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的闡述。

實施例1

如圖1～4所示，微波整流天線包括接收天線1和整流器2，接收天線1通過探針3與整流器2電連接。

其中所述接收天線1包括地平面4和輻射面5，輻射面5設(shè)置在地平面4的上方，地平面4、輻射面5之間留有作為空氣隙7存在的間距，探針3的一端穿出地平面4后與輻射面5電連接；所述整流器2設(shè)置在地平面4的底面上，其輸入端與探針3的另一端電連接。

上述方案中，接收天線1接收微波能量，然后通過探針3將接收的微波能量輸入至整流器2進行整流處理。由于整流器2設(shè)置在地平面4的底面上，可以降低整流天線整體的尺寸，減少橫剖面面積，使得整流天線結(jié)構(gòu)更加的緊湊。

在具體的實施過程中，如圖3所示，所述地平面4包括介質(zhì)層42和覆銅層41，介質(zhì)層42的頂面與覆銅層41的底面貼合；所述輻射面5包括介質(zhì)層52和覆銅層51，介質(zhì)層52的頂面與覆銅層51的底面貼合；探針3依次穿出地平面4的介質(zhì)層42、地平面的覆銅層41、輻射面5的介質(zhì)層52后與輻射面5的覆銅層51電連接。地平面4的覆銅層41構(gòu)成地平面4，輻射板5的覆銅層51構(gòu)成輻射單元，兩覆銅層之間間隔著介質(zhì)層和空氣隙7，由此，兩覆銅層之間的相對介電常數(shù)減少，有利于抑制各元素間的雜散波串?dāng)_，易于組陣。

本實施例中，地平面4、輻射面5采用聚四氟乙烯單面覆銅板制成。地平面4的板材厚度h范圍在0.5～1.5mm之間，尺寸大小在25mm×25mm×0.5mm～55mm×55mm×1.5mm之間。本實施例中h＝0.8mm，介電常數(shù)ε＝2.28，損耗正切角tanθ＝0.0015，尺寸大小為45mm×45mm×0.8mm。而輻射面5的板材厚度h的范圍為0.15～0.4mm，尺寸大小在10mm×10mm×0.15mm～45mm×45mm×0.4mm之間。本實施例中，板材厚度h＝0.25mm，介電常數(shù)ε＝2.28，損耗正切角tanθ＝0.0015，尺寸大小為25.5mm×25.5mm×0.25mm。

本實施例中，如圖1～4所示，輻射面5的橫向剖面呈圓形；所述地平面4的橫向剖面呈正方形。地平面4通過4個支柱6(61、62、63、64)與輻射面5連接，4個支柱6以輻射面5的中心處為圓心在圓周方向上均勻分布。其中每根支柱6的尺寸范圍在0.5mm×0.5mm×0.5mm～2mm×2mm×2mm之間。本實施例中，每根支柱6的尺寸為2mm×2mm×1.8mm。

在具體的實施過程中，如圖4所示，所述整流器2包括輸入接口8、阻抗匹配電路9、諧波濾波器10、整流二極管11、基頻濾波器12和負(fù)載13，其中所述輸入接口8與探針3的另一端電連接，輸入接口8通過阻抗匹配電路9與諧波濾波器10的輸入端、基頻濾波器12的輸入端電連接諧波濾波器10的輸出端與整流二極管11的陰極電連接，整流二極管11的陽極通過過孔14與地平面4的覆銅層41電連接，基頻濾波器12的輸出端與負(fù)載13的一端電連接，負(fù)載13的另一端通過過孔14與地平面4的覆銅層41電連接。整流器2接收探針3傳輸?shù)奈⒉芰亢?，將微波能量傳輸至?jīng)過阻抗匹配電路9、諧波濾波器10傳輸至整流二極管11進行整流處理，微波能量經(jīng)過整流處理后形成輸出電流，輸出電流經(jīng)過諧波濾波器10的濾波作用后去除其中的諧波成分，提供給與基頻濾波器12輸出端連接的負(fù)載13使用。其中基頻濾波器12用于阻隔從輸入接口8饋入的微波基頻能量到達(dá)負(fù)載13，阻抗匹配電路9用于對整流器2的輸入阻抗進行匹配，使得微波能量能夠充分饋入整流器2。

在具體的實施過程中，如圖4所示，所述諧波濾波器10包括二次諧波扇形濾波器和三次諧波扇形濾波器，二次諧波扇形濾波器、三次諧波扇形濾波器與阻抗匹配電路9的輸出端、整流二極管11的陰極電連接；所述二次諧波扇形濾波器和三次諧波扇形濾波器分別用于阻隔整流二極管11整流過程中產(chǎn)生的二次諧波與三次諧波，把高次諧波有效約束在諧波濾波器10和整流二極管11之間，提高整流效率，同時還對整流二極管11的輸入阻抗進行匹配，以減少能量反射；所述基頻濾波器12由一個扇形枝節(jié)濾波器構(gòu)成，用于阻隔從輸入接口8饋入的微波基頻能量到達(dá)負(fù)載13。

本發(fā)明提供的微帶整流天線結(jié)構(gòu)緊湊，橫剖面面積小，在小功率輸入下整體能量轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到68％以上。

顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(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。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。