一种单/双支路整流天线的制作方法

1.本发明属于整流技术领域，具体涉及一种整流电路、单支路整流天线及双支路整流天线。


背景技术：

2.近年来，随着微电子技术和无线技术的发展，使得低成本、低功耗、小体积的传感器节点得以实现。这样的节点配合各类型的传感器，可组成无线传感器网络(wsn)。无线传感器网络是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术，不仅在战场监视、大规模环境监测和大区域内的目标追踪等军事领域具有重要应用和军事价值，而且在社会建设的各个层面和人们的日常生活当中也有重要应用，比如对轨道、桥梁、堤坝等基建设施的安全性实时监测，医疗、养老、监护等场景中的生命特征实时监测等。通常情况下，这些无线传感网络节点设备都是依靠传统的电池来提供能量，如镍氢电池、锂聚合物电池等。但传统电池存在一些缺点，一是供能寿命有限，不可循环利用，使用一段时间后需要人工更换或者离线充电，对于分布在气候恶劣或者遥远地区的无线传感器网络而言，这是个很严重的制约条件，也不适用需要全时无缝运动的生命信号实时监测；二是相对于微型传感器其体积仍然较大，限制了微传感器的进一步小型化，对于需要便携、移动的微小系统以及载荷条件苛刻的嵌入式应用都是局限。为解决这些问题，研究人员提出了基于整流天线的能量无线收集技术，有效解决了传统电池供电的寿命有限、更换不便的困难。
3.整流天线具有无线接收微波辐射能量，并将其转换成直流电的功能，可以解决无线传感网络节点设备的非接触式供电的基本问题。但是，现有技术中的整流天线的转换效率都比较低，难以满足一些耗电量比较大的传感器节点设备的能量供给问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种整流电路、单支路整流天线及双支路整流天线，能够将微波高效地转换成直流电。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种整流电路，所述整流电路包括复阻抗匹配电路和直流匹配电路，所述复阻抗匹配电路由三段微带线和电感串联构成，所述复阻抗匹配电路的两端分别为微带线端和电感端，所述电感端与所述直流匹配电路的输入端相连接，所述直流匹配电路的输出端与直流负载相连接，所述微带线端为所述整流电路的输入端。
7.可选的，所述直流匹配电路由第一电容、肖特基二极管、第二电容、第一金属片和第二金属片构成，所述第一电容的第一端与所述电感连接，所述第一电容的第二端与所述肖特基二极管相连接，所述第二电容第一端与第一金属片连接，所述第二电容的第二端与第二金属片连接，所述第二金属片的末端为所述直流匹配电路的输出端。
8.可选的，所述肖特基二极管由两个二极管串联构成，将两个二极管分别标记为第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的正极与所述第二二极管的负极相连接，将所述
第一二极管和所述第二二极管相连接处标记为肖特基二极管的输入端，所述肖特基二极管的输入端与所述第一电容的第二端相连接，所述第一二极管的负极与所述第二金属片相连接，所述第二二极管的正极与所述第一金属片相连接。
9.可选的，所述第一金属片上开设有通孔，所述第一金属板通过所述通孔接地。
10.本发明还提供了一种单支路整流天线，所述单支路整流天线包括两个槽天线和两个所述的整流电路，所述槽天线包括激发槽和馈电结构，将两个所述槽天线分别标记为第一槽天线和第二槽天线，将两个所述整流电路分别标记为第一整流电路和第二整流电路，所述第一槽天线的馈电结构的输出端通过第一微带馈线与所述第一整流电路的输入端相连接，所述第二槽天线的馈电结构的输出端通过第二微带馈线与所述第二整流电路的输入端相连接，所述第一槽天线的输出端与所述第二槽天线的输出端相互垂直。
11.可选的，所述馈电结构为微带馈线，所述馈电结构的宽度呈渐变阶梯型。
12.可选的，所述整流电路设置在电路板的背面，所述槽天线设置在所述电路板的正面。
13.本发明还提供了一种双支路整流天线，所述双支路整流天线包括两个槽天线和四个所述的整流电路，所述槽天线包括激发槽和馈电结构，将两个所述槽天线分别标记为第三槽天线和第四槽天线，将四个所述整流电路分别标记为第三整流电路、第四整流电路、第五整流电路和第六整流电路，所述第三槽天线的馈电结构的输出端通过第三微带馈线分别与所述第三整流电路的输入端、所述第四整流电路的输入端相连接，所述第四槽天线的馈电结构的输出端通过第四微带馈线分别与所述第五整流电路的输入端、所述第六整流电路的输入端相连接，所述第三整流电路的直流匹配电路的输出端与所述第四二整流电路的直流匹配电路的输出端相连接，所述第五整流电路的直流匹配电路的输出端与所述第六整流电路的直流匹配电路的输出端相连接，所述第三槽天线的输出端与所述第四槽天线的输出端相互垂直。
14.可选的，所述馈电结构为微带馈线，所述馈电结构的宽度呈渐变阶梯型。
15.可选的，所述整流电路设置在电路板的背面，所述槽天线设置在所述电路板的正面。
16.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过将整流天线的整流电路设置为三段微带线和电感串联的形式以及将指令天线的整流电路设置为双支路的形式，提高了天线对能量的转换效率，此外，本发明提供的整流天线的两个槽天线的输出端相互垂直，能够集中空中任意方向的射频能量，进一步提高了整流天线的能量转换效率。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例整流电路的结构示意图；
19.图2为本发明实施例单支路整流天线电路板背面结构示意图；
20.图3为本发明实施例单支路整流天线电路板正面结构示意图；
21.图4为本发明实施例双支路整流天线的整流电路的结构示意图。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.本发明的目的是提供一种整流电路、整流天线，能够将微波高效地转换成直流电。
24.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
25.图1为本发明实施例整流电路的结构示意图，如图1所示，所述整流电路包括复阻抗匹配电路和直流匹配电路，所述复阻抗匹配电路由三段微带线102和电感103串联构成，所述复阻抗匹配电路的两端分别为微带线端101和电感端，所述电感端与所述直流匹配电路的输入端相连接，所述直流匹配电路的输出端与直流负载111相连接，所述微带线端101为所述整流电路的输入端。
26.所述直流匹配电路由第一电容104、肖特基二极管105、第二电容108、第一金属片106和第二金属片107构成，所述第一电容104的第一端与所述电感103连接，所述第一电容104的第二端与所述肖特基二极管105相连接，所述第二电容108第一端与第一金属片107连接，所述第二电容108的第二端与第二金属片106连接，所述第二金属片106的末端110为所述直流匹配电路的输出端。
27.所述肖特基二极管105由两个二极管串联构成，将两个二极管分别标记为第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的正极与所述第二二极管的负极相连接，将所述第一二极管和所述第二二极管相连接处标记为肖特基二极管的输入端，所述肖特基二极管的输入端与所述第一电容的第二端相连接，所述第一二极管的负极与所述第二金属片相连接，所述第二二极管的正极与所述第一金属片相连接。
28.所述第一金属片107上开设有通孔109，所述第一金属板107通过所述通孔109接地。
29.本发明提供了一种单支路整流天线，图2为本发明实施例单支路整流天线电路板背面结构示意图，图3为本发明实施例单支路整流天线电路板正面结构示意图，如图2、图3所示，所述单支路整流天线包括两个槽天线和两个如图1所示的整流电路，所述槽天线包括激发槽301、304和馈电结构302、305，将两个所述槽天线分别标记为第一槽天线和第二槽天线，将两个所述整流电路分别标记为第一整流电路201和第二整流电路202，所述第一槽天线的馈电结构302的输出端303通过第一微带馈线与所述第一整流电路201的输入端相连接，所述第二槽天线的馈电结构305的输出端306通过第二微带馈线与所述第二整流电路202的输入端相连接，所述第一槽天线的输出端303与所述第二槽天线的输出端306相互垂直。
30.所述馈电结构302、305为微带馈线，所述馈电结构302、305的宽度呈渐变阶梯型。
31.所述整流电路设置在电路板的背面，所述槽天线设置在所述电路板的正面。
32.本发明还提供了一种双支路整流天线，所述双支路整流天线包括两个槽天线和四个如图1所示的整流电路，所述槽天线包括激发槽和馈电结构，将两个所述槽天线分别标记为第三槽天线和第四槽天线，将四个所述整流电路分别标记为第三整流电路、第四整流电路、第五整流电路和第六整流电路，图4为本发明实施例双支路整流天线的整流电路的结构示意图，如图4所示，所述第三槽天线的馈电结构的输出端通过第三微带馈线分别与所述第三整流电路的输入端401、所述第四整流电路的输入端402相连接，所述第四槽天线的馈电结构的输出端通过第四微带馈线分别与所述第五整流电路的输入端、所述第六整流电路的输入端相连接，所述第三整流电路的直流匹配电路的输出端403与所述第四整流电路的直流匹配电路的输出端404相连接，所述第五整流电路的直流匹配电路的输出端与所述第六整流电路的直流匹配电路的输出端相连接，所述第三槽天线的输出端与所述第四槽天线的输出端相互垂直。
33.所述馈电结构为微带馈线，所述馈电结构的宽度呈渐变阶梯型。
34.所述整流电路设置在电路板的背面，所述槽天线设置在所述电路板的正面。
35.作为本发明的一个优选的实施例，整流电路的复阻抗匹配结构相当于一个低通滤波器，滤出所需频率以外的射频能量和信号，将整流电路中非线性期间例如二极管在整流过程中产生的高次谐波反射回整流电路部分，避免高次谐波通过接收天线辐射出去并且可以再次通过二极管整流，提高射频-直流转换效率。
36.整流电路为全波整流拓扑结构，所述全波整流拓扑结构包括射频输入端和负载直流输出端，所述射频输入端与负载直流输出端连接，所述射频输入端与负载直流输出端之间还连接有三支路，所述第一支路串联连接有一电容和一二极管，二极管的负极与电容连接，二极管的正极接地连接；所述第二支路为一二极管，所述二极管的负极接地连接；所述第三支路为一电容，所述电容的另一端接地连接。
37.复阻抗匹配将整流电路部分的输入阻抗匹配到接收天线端的输入阻抗，减少反射，将天线接收的能量最大限度地传输给整流电路。二极管作为一个动态元件，输入阻抗随频率的变化而变化，复阻抗匹配电路由三段微带线和一个芯片电感组成，在一个较宽的频带内的同时匹配整流电路阻抗的实部和虚部。
38.用于接受射频能量的槽天线的两个输出端相互垂直，每个输出端匹配在50欧姆，频带覆盖1.7gh-2.7ghz，可以包含单支路整流电路的带宽。
39.同轴线输入阻抗50ω，可以连接不同种类的微带天线。
40.与现有技术相比，本发明提供的宽带整流天线具有以下有益效果：
41.本发明的整流电路为全波整流拓扑结构，此全波整流电路是将两个并联的二极管与电容结合而构成的。半波整流电路的涟波因数较大，因此整流效率比较低，但因其电路结构简单，在小功率电路中，仍被应用。半波整流电路中的二极管，有两个工作最大额定值，即最大顺向电流以及最大峰值逆向电压。工作电流或电压若超过这两个最大值，二极管将可能击穿。全波整流电路由两个二极管而组成的，因其正负半周均供应能量给负载，所以其供应的能量为半波整流之两倍，且输出电流的涟波因数比较小，所以可提高整流效率。电容具有隔直通交的特性，电容对于射频端呈现短路状态；而对于负载直流端，则电容呈现开路状态。因此，此全波整流结构对于射频端，两个二极管呈并联形式；而对于负载直流端，由于电容呈现开路状态，负载端与一个二极管呈串联形式。若有一个二极管被毁坏，则此电路变为
一个二极管并联的拓扑结构。虽然由于在这种情况下会造成电路的阻抗不匹配，引起整流电路的效率下降，但是还是比传统的倍压电路更可靠。
42.本发明的复阻抗匹配电路，由三段微带线和一个芯片电感组成，在一个较宽的频带内将整流电路部分的输入阻抗匹配到接收天线端的输入阻抗，使得天线接收的能量最大限度地传输给整流电路。帮助输入滤波器抑制二极管非线性所产生的谐波，防止射频能量的泄漏。调节单支路整流的匹配电路的各微带线的尺寸和芯片电感的大小，使其在1.75-2.5ghz频段内的整流电路最大输出效率达到最优值；调节双支路整流的匹配电路的各微带线的尺寸和芯片电感的大小，使其在0.85-0.95，1.75-2.5ghz频段内的整流电路最大输出效率达到最优值。因此整流电路在整个频段上都能获得较高的射频-直流转换效率。
43.本发明的输出滤波结构为电容，输出滤波结构配合输入滤波结构将谐波抑制在整流电路中，提高整流效率。并且，消除输出滤波结构的纹波，使输出电压波形更平滑。
44.本发明的输入天线印制在相对介电常数为4.4的介质板上，介质板厚度为h＝1mm，馈电结构末端主要由渐变阶梯形激发槽，并且有调节阻抗匹配的作用，展宽天线的工作带宽，天线工作在1.75ghz-2.5ghz。天线的多频特性由这种阶梯型馈电结构和槽共同作用。板背面为地面，两个开路的矩形槽放在地面的两个边缘，为了实现理想的去耦合效果，采用垂直极化法使两个天线垂直放置，分别为垂直激化和水平激化，这样可以收集空间中任意方向的射频能量。
45.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间的相同及相似部分互相参见即可。
46.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。