一種環(huán)境電磁波能量收集整流器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種環(huán)境電磁波能量收集整流器，適用于低功率環(huán)境，能在三個(gè)頻段 內(nèi)工作，屬于能量收集領(lǐng)域中具有三頻工作特性的整流電路范疇。
【背景技術(shù)】
[0002] 能量收集技術(shù)可用于對(duì)多種能量形式的采集和利用，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、電磁波能量 等等。近年來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)不斷發(fā)展，周圍環(huán)境中充滿了不同頻率的電磁波能量，因而對(duì) 電磁波形式的能量收集技術(shù)的研究成為熱點(diǎn)。整流電路是電磁波能量收集系統(tǒng)的關(guān)鍵技 術(shù)，它能將收集到的周圍環(huán)境中的電磁能量轉(zhuǎn)換為直流，給無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN)和射頻識(shí) 另^ (RFID)等電子設(shè)備供能，從而大大增加這些系統(tǒng)中電池的使用壽命，甚至擺脫電池的束 縛，減少技術(shù)人員對(duì)傳感器的維護(hù)、更換工作。周圍環(huán)境中的電磁波能量功率較低，且單一 工作頻段的整流電路可收集到的電磁波能量有限，這就要求整流電路具有低功率下的多頻 工作特性。
[0003] 整流電路一般包括阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、整流二極管、直通濾波器和直流負(fù)載。整流二極 管是整流電路的關(guān)鍵元件，其性能參數(shù)決定了整流電路能否在低功率環(huán)境下工作，其非線 性工作特性增加了實(shí)現(xiàn)整流電路多頻工作的難度。能在低功率環(huán)境下工作的多頻整流電路 與接收天線連接，便能夠?qū)崿F(xiàn)周圍環(huán)境中的能量收集。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)目前主流無(wú)線通信系統(tǒng)所使用的三個(gè)頻段：ISM915MHz頻段、 UMTS2100頻段、802. Ilb協(xié)議的2. 4GHz頻段，提供一種環(huán)境電磁波能量收集整流器，在低功 率環(huán)境下，三個(gè)頻段上都能實(shí)現(xiàn)較好的阻抗匹配，使其具有較高的整流效率，可用于無(wú)線能 量傳輸、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和射頻識(shí)別等多個(gè)領(lǐng)域。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是： 本整流電路共分三層，上層為金屬微帶整流電路結(jié)構(gòu)，中間層是介質(zhì)板層，介質(zhì)板層背 面即下層為接地金屬層。整流電路由雙T型短路枝節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、整流二極管、微帶扇形 直通濾波器和直流負(fù)載組成。采用特定型號(hào)的二極管串聯(lián)接入整流電路，以實(shí)現(xiàn)低功率下 的整流。短路枝節(jié)通過(guò)金屬過(guò)孔與下層金屬層相連，用來(lái)進(jìn)行阻抗匹配，并提供直流回路。 雙T型短路枝節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的幾何參數(shù)對(duì)三頻段的阻抗匹配有較大的影響。微帶扇形直 通濾波器濾除基頻和二極管整流過(guò)程中產(chǎn)生的高次諧波，將直流能量提供給直流負(fù)載，給 外部供能。
[0006] 根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案： 一種環(huán)境電磁波能量收集整流器，包括上層的金屬微帶整流電路結(jié)構(gòu)，中間層的介質(zhì) 基板和下層的接地金屬層。所述上層的微帶整流電路結(jié)構(gòu)由一個(gè)雙T型短路枝節(jié)阻抗匹配 網(wǎng)絡(luò)依次經(jīng)一個(gè)整流二極管和一個(gè)微帶扇形直通濾波器連接一個(gè)直流負(fù)載構(gòu)成。
[0007] 所述雙T型短路枝節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)由兩節(jié)T型短路枝節(jié)阻抗變換器相連而成，其 幾何參數(shù)可用來(lái)調(diào)節(jié)整流電路的輸入阻抗，實(shí)現(xiàn)920MHz、2. 14GHz、2. 4GHz這三個(gè)頻點(diǎn)上的 阻抗匹配。所述T型短路枝節(jié)阻抗變換器通過(guò)兩個(gè)T形腳下端部的圓形金屬過(guò)孔與下層金 屬層相連，用來(lái)進(jìn)行阻抗匹配，并提供直流回路。所述雙T型短路枝節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入 端口接SM接頭，方便與接收天線相連。
[0008] 所述整流二極管的型號(hào)為HSMS-2850,以實(shí)現(xiàn)低功率下的整流，將其串聯(lián)接入整流 電路，其正極與雙T型短路枝節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端口相連，負(fù)極與微帶扇形直通濾波 器的輸入端口相連。
[0009] 所述微帶扇形直通濾波器為兩個(gè)串聯(lián)的扇形金屬層；所述直流負(fù)載一端焊接在直 通濾波器的輸出端口，另一端接地。
[0010] 所述整流電路在三個(gè)頻段的輸入阻抗均為50歐姆。
[0011] 所述的上層整流電路結(jié)構(gòu)和下層接地金屬層需要用導(dǎo)電性較好的金屬材料，如 金、銀或銅。
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)： 1、本發(fā)明采用單一二極管串聯(lián)接入整流電路的結(jié)構(gòu)，更適用于低功率環(huán)境下的應(yīng)用。
[0013] 2、本發(fā)明采用雙T型短路枝節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的同時(shí)提供直流回 路，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。通過(guò)調(diào)節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的幾何參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了 920MHz、2. 14GHz、2. 4GHz這 三個(gè)頻點(diǎn)上的阻抗匹配，920MHz適用于ISM915MHz頻段，2. 14GHz適用于UMTS2100頻段， 2. 4GHz適用于802. Ilb協(xié)議，這使得本發(fā)明具有很高的實(shí)用性。
[0014] 3、本發(fā)明剖面低、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固；具有平面結(jié)構(gòu)，易于與天線或其他電 路集成。本發(fā)明采用印刷電路工藝，選用的元件和材料價(jià)格都十分低廉，適合大規(guī)模生產(chǎn)， 工程應(yīng)用前景廣闊。
[0015] 4、本發(fā)明在-IOdBm的低輸入功率條件下，920MHz的整流效率為60. 0%，2. 14GHz的 整流效率為53. 1%，2. 4GHz的整流效率為49. 8%。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1是本發(fā)明環(huán)境電磁波能量收集整流器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖2是圖1的后視圖。
[0018] 圖3是本發(fā)明環(huán)境電磁波能量收集整流器所用介質(zhì)板層示意圖。
[0019] 圖4是本發(fā)明環(huán)境電磁波能量收集整流器在輸入功率為-IOdBm時(shí)整流效率隨頻 率的變化。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明： 實(shí)施例一： 參見(jiàn)圖1至圖3, 一種環(huán)境電磁波能量收集整流器，包括上層的金屬微帶整流電路結(jié)構(gòu) (1)，中間層的介質(zhì)基板（2)和下層的接地金屬層（3)。所述上層的金屬微帶整流電路結(jié)構(gòu) 由一個(gè)雙T型短路枝節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)（4)依次經(jīng)一個(gè)整流二極管（5)和一個(gè)微帶扇形直通 濾波器（6)連接一個(gè)直流負(fù)載（7)構(gòu)成。
[0021] 實(shí)施例二： 本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處如下：所述雙T型短路枝節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)（4) 由兩節(jié)T型短路枝節(jié)阻抗變換器（8)相連而成，其幾何參數(shù)可用來(lái)調(diào)節(jié)整流電路的輸入阻 抗，實(shí)現(xiàn)920MHz、2. 14GHz、2. 4GHz這三個(gè)頻點(diǎn)上的阻抗匹配。所述T型短路枝節(jié)阻抗變換 器（8)通過(guò)兩個(gè)T形腳下端部的圓形金屬過(guò)孔（9)與下層金屬層（3)相連，用來(lái)進(jìn)行阻抗匹 配，并提供直流回路。所述雙T型短路枝節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)（4)的輸入端口接SM接頭，方便 與接收天線相連。
[0022] 所述整流二極管（5)的型號(hào)為HSMS-2850,以實(shí)現(xiàn)低功率下的整流，將其串聯(lián)接入 整流電路，其正極與雙T型短路枝節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)（4)的輸出端口相連，負(fù)極與微帶扇形直 通濾波器（6)的輸入端口相連。
[0023] 所述微帶扇形直通濾波器（6)為兩個(gè)串聯(lián)的扇形金屬層，用來(lái)濾除基頻和二極管 在整流過(guò)程中產(chǎn)生的高次諧波；所述直流負(fù)載（7) -端焊接在直通濾波器（6)的輸出端口， 另一端接地。
[0024] 本實(shí)施例中所述介質(zhì)基板（2)的介電常數(shù)=2. 65,厚度H =0. 8mm。上層和下層 為金屬涂層，材料為銅。
[0025] 圖4顯示了整流電路在-IOdBm的低輸入功率條件下整流效率隨頻率的變化，從圖 中可以看出，920MHz對(duì)應(yīng)的整流效率為60. 0%，2. 14GHz對(duì)應(yīng)的整流效率為53. 1%，2. 4GHz對(duì) 應(yīng)的整流效率為49. 8%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種環(huán)境電磁波能量收集整流器，包括上層的金屬微帶整流電路結(jié)構(gòu)（I)、中間層 的介質(zhì)基板（2)和下層的接地金屬層（3)，其特征在于：所述上層的金屬微帶整流電路結(jié)構(gòu) 由一個(gè)雙T型短路枝節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)（4)依次經(jīng)一個(gè)整流二極管（5)和一個(gè)微帶扇形直通 濾波器（6)連接一個(gè)直流負(fù)載（7)構(gòu)成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境電磁波能量收集整流器，其特征在于：所述雙T型短路 枝節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)（4)由兩節(jié)T型短路枝節(jié)阻抗變換器（8)相連而成，其幾何參數(shù)可用來(lái)調(diào) 節(jié)整流電路的輸入阻抗，實(shí)現(xiàn)920MHz、2. 14GHz、2.4GHz這三個(gè)頻點(diǎn)上的阻抗匹配；所述T型 短路枝節(jié)阻抗變換器（8)通過(guò)兩個(gè)T形腳下端部的圓形金屬過(guò)孔（9)與下層金屬層（3)相 連，用來(lái)進(jìn)行阻抗匹配，并提供直流回路；所述雙T型短路枝節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)（4)的輸入端 口接SM接頭，方便與接收天線相連。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境電磁波能量收集整流器，其特征在于：所述整流二極管 (5)的型號(hào)為HSMS-2850,以實(shí)現(xiàn)低功率下的整流，將其串聯(lián)接入整流電路，其正極與雙T型 短路枝節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)（4)的輸出端口相連，負(fù)極與微帶扇形直通濾波器（6)的輸入端口 相連。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境電磁波能量收集整流器，其特征在于：所述微帶扇形直 通濾波器（6 )為兩個(gè)串聯(lián)的扇形金屬層；所述直流負(fù)載（7 ) -端焊接在直通濾波器（6 )的輸 出端口，另一端接地。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境電磁波能量收集整流器，其特征在于：所述介質(zhì)基板（2) 的介電常數(shù)\ =2.65,厚度H=0.8mm。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種環(huán)境電磁波能量收集整流器。它包括上層的金屬微帶整流電路結(jié)構(gòu)，中間層的介質(zhì)基板和下層的接地金屬層。所述上層的金屬微帶整流電路結(jié)構(gòu)由一個(gè)雙T型短路枝節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)依次經(jīng)一個(gè)整流二極管和一個(gè)微帶扇形直通濾波器連接一個(gè)直流負(fù)載構(gòu)成。本發(fā)明適用于目前主流無(wú)線通信系統(tǒng)所使用的三個(gè)頻段：ISM915MHz頻段、UMTS2100頻段、802.11b協(xié)議的2.4GHz頻段，在-10dBm的低輸入功率條件下都能得到較高的整流效率。本發(fā)明剖面低、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、易于集成，采用印刷電路工藝，選用的元件和材料價(jià)格都十分低廉，適合大規(guī)模生產(chǎn)，工程應(yīng)用前景廣闊。
【IPC分類】H02J17/00, H02J7/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105048608
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510273126
【發(fā)明人】陸佳駿, 楊雪霞, 梅歡
【申請(qǐng)人】上海大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月11日
【申請(qǐng)日】2015年5月26日