[發(fā)明專利]具有寬帶寬功率范圍的全極化整流天線及能量傳輸系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110779393.0
• 申請日: 2021-07-09
• 公開（公告）號: CN113690612B
• 公開（公告）日: 2022-12-16
• 發(fā)明（設計）人: 章秀銀;薄少飛;區(qū)俊輝;徐碧航
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01Q1/48
• 分類號: H01Q1/48;H01Q1/50;H01Q1/36;H01Q5/50;H01Q23/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 王東東

本發(fā)明公開了具有寬帶寬功率范圍的全極化整流天線及能量傳輸系統(tǒng)，包括一個接收天線和一個整流電路，所述接收天線為寬帶寬波束雙極化天線，包括地板及饋電同軸線，所述地板的一面設置金屬墻及輻射體，所述金屬墻設置在輻射體的周圍，饋電同軸線分別與輻射體及整流電路的輸入端口連接；所述整流電路為寬帶寬功率范圍的雙輸入整流電路，印制在地板的另一面，本發(fā)明可用于寬頻段微波無線能量收集，其優(yōu)點是不僅可以在寬帶寬功率范圍內(nèi)改善電路匹配性能，提高電路效率，還能實現(xiàn)功率的不平衡到平衡的轉(zhuǎn)化，與雙極化接收天線結(jié)合后，可以在不同入射極化旋轉(zhuǎn)角的情況下都能保持平穩(wěn)的整流效率。

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及微波無線能量傳輸技術(shù)領域，具體涉及一種具有寬帶寬功率范圍的全極化整流天線及能量傳輸系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著現(xiàn)今無線通信和低功率電子設備的迅猛發(fā)展，無線能量傳輸和無線能量收集逐漸成為有望為電子設備進行無線充電的技術(shù)，如物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器節(jié)點、醫(yī)療設備和微型機器人等。然而，在不同的應用場景中，工作條件也會發(fā)生變化，具體包括接收方向、頻率、輸入功率水平和負載值等。但傳統(tǒng)的整流天線僅能在某一特定的場景下工作，且目前很少有研究工作能夠?qū)崿F(xiàn)在多場景下同時工作。整流天線包含整流電路和接收天線兩部分，由接收天線將射頻能量收集，之后傳輸給整流電路將射頻能量轉(zhuǎn)換成直流能量，供給用電器工作。

為了提高整流天線的通用性，需要設計寬帶、寬功率范圍和寬負載范圍的整流電路。常采用的方式之一是，將分別工作在不同頻段或不同功率水平下的子整流支路并聯(lián)，但該方法無法將多支路的負載進行合并，難以在實際場景中被應用；第二種方式是，采用阻抗轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡實現(xiàn)匹配，如用非均勻傳輸線、耦合線或者自適應dc-dc轉(zhuǎn)換器可拓展帶寬，用分支線耦合器和阻抗壓縮網(wǎng)絡可拓展功率范圍。但是，很少有研究工作能同時實現(xiàn)寬帶寬功率范圍。

除了整流電路之外，接收天線的性能也至關重要。為了收集更多的射頻能量，往往需要進行寬波束設計。另外，由于環(huán)境中用于無線通信的電磁波大多為線極化波，因此常采用雙極化天線對任意入射極化角度的線極化電磁波進行接收，但是在這種情況下，天線的兩個極化端口所獲得的射頻能量不同，若在其后級聯(lián)整流電路，則會由于不平衡的輸入功率導致不相等的直流能量，難以進行能量整合。對此可在雙極化天線和整流電路之間加入分支線耦合器進行功率不平衡-平衡轉(zhuǎn)換。除此之外，采用寬波束的天線可以在更廣范圍內(nèi)收集到更多的射頻能量。但是，以上的技術(shù)手段無法同時實現(xiàn)寬帶、寬功率和極化旋轉(zhuǎn)角不敏感的特性。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)方案所存在的缺點與不足，本發(fā)明目的是提供一種具有寬帶寬功率范圍的全極化整流天線及能量傳輸系統(tǒng)。

本發(fā)明包括一個寬帶寬波束雙極化天線和一個寬帶寬功率范圍的雙輸入整流電路。當該雙極化天線接收到不同頻率或功率水平的電磁波時，由于整流二極管的非線性特性，其輸入阻抗也會發(fā)生變化，由此造成了匹配的惡化，使得效率下降；除此之外，還會由于入射波極化偏轉(zhuǎn)角的影響，造成功率的不平衡，也會導致效率的下降。因此，采用寬帶寬功率的全極化整流天線不僅可以改善整流二極管隨頻率和功率變化的影響，還可對接收到的不平衡功率進行均衡，從而在變化的極化旋轉(zhuǎn)角下仍保持穩(wěn)定的效率。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種具有寬帶寬功率范圍的全極化整流天線，包括接收天線和整流電路；

所述接收天線為寬帶寬波束雙極化天線，包括地板及饋電同軸線，所述地板的一面設置金屬墻及輻射體，所述金屬墻設置在輻射體的周圍，饋電同軸線分別與輻射體及整流電路的輸入端口連接；

所述整流電路為寬帶寬功率范圍的雙輸入整流電路，印制在地板的另一面，包括基于Lange耦合器的六端口網(wǎng)絡，所述基于Lange耦合器的六端口網(wǎng)絡分別與第一整流路徑及第二整流路徑的輸入端連接，第一整流路徑及第二整流路徑的兩個輸出端與負載的兩端連接。

進一步，所述輻射體包括兩對呈正交設置的領結(jié)型振子，交點為地板的中心點，領結(jié)型振子的末端向下折疊。