一种工作在5.8GHz处的微波无线供电系统的制作方法

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种工作在5.8ghz处的微波无线供电系统。

背景技术：

近年来随着物联网技术的兴起，无线传感网络(wirelesssensornetworks，wsn)在许多领域得到应用，如灾害管理、基础设施监控等。无线传感网络在智能电网的发展中也扮演着及其重要的角色，利用无线传感器，可以对电力设备运行的环境、状态等情况进行监测，通过无线传感器反映的参数，对电力设备的运行情况进行评估，继而提高了电力系统的稳定性。然而，目前电池主要是无线传感器的能量来源，但随着传感网络分布的环境更广泛、更复杂，电池的维护和频繁更换将成为一个非常棘手的问题。微波无线输电技术可以较好的解决这一问题。微波无线输电技术适用于中远距离输电，电能通过电磁波的形式进行传递，解决了孤岛、以及特殊场合和无线传感器供电的问题。

对于应用于无线传感节点中的微波无线输电系统，其应该满足尺寸小、重量轻、效率高、电压输出稳定等特点。传感器作为检测装置，其应该具有稳定的工作状态以确保正常工作，检测到可靠的数据，再传送到数据分析端。然而现有的设计主要集中在减小收发天线的尺寸、提高工作效率方面，并未同时考虑到接收整流天线整流得到的直流电源的后续管理方面，可能会对传感节点的稳定工作极其不利。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种工作在5.8ghz处的微波无线供电系统，具有较小的尺寸、在目标距离下具有较高的效率、以及能量管理系统用于输出可靠稳定的电能。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种工作在5.8ghz处的微波无线供电系统，该系统包括依次连接的微波发射天线、接收阵列天线、整流电路、能量管理模块和传感器节点。

可选的，所述整流电路包括依次连接的低通滤波器、阻抗匹配电路、整流二极管和直通滤波器；

可选的，所述微波发射天线的工作频率为5.8ghz。

可选的，所述能量管理模块通过对接收整流电路整流得到的直流电进行储存和管理，间歇性的驱动传感器正常工作。

可选的，所述微波发射天线为fabry-perot谐振腔天线。

可选的，所述微波发射天线的尺寸为91mm*91mm*14.95mm。

可选的，所述接收阵列天线的尺寸为150×150×1mm³。

本发明的有益效果在于：通过对发射天线的设计和优化，在目标传输距离和工作频率处达到较高的增益和方向性；通过对接收天线阵列的设计和优化，在目标传输距离和工作频率处使接收天线能够达到较高的增益，从而提升了无线供电的效率，收发天线同时具备尺寸小、重量轻的特点，用以适应传感节点的无线供电；电源管理模块可以将整流电路输出的直流能量进行储存，并间歇式的驱动传感终端采集数据，从而实现微波无线供能系统的应用价值。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为工作在5.8ghz处的微波无线供电系统图；

图2为fabry-perot谐振腔天线结构图；(a)为底层；(b)为覆层；(c)为谐振腔；

图2fabry-perot谐振腔天线结构图

图3为接收阵列天线结构图；

图4为基于ltc3129的电源管理模块电路图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，一种工作在5.8ghz处的微波无线供电系统包括：电磁波发射天线、电磁波接收阵列天线、整流电路、能量管理模块。其中整流电路包括：低通滤波器、阻抗匹配电路、整流二极管、直通滤波器。

本发明中发射天线是经过特定设计之后的fabry-perot谐振腔天线，其结构图如图2所示，工作频率为5.8ghz。应当说明的是发射天线不限于是fabry-perot谐振腔天线，亦可以是微带贴片天线等其他形式的发射天线。发射天线将射频发生器产生的射频信号转换成电磁波发射到自由空间，发射天线在目标距离内具有一定的定向性和较高的增益，从而提高整个系统的工作效率。除此之外，发射天线应当具有较小的结构尺寸，以适应于传感节点的无线供能，本发明中所使用的发射天线的尺寸为91mm*91mm*14.95mm。

如图1所示，发射天线发射出的电磁波通过接收阵列天线接收。本发明中接收阵列天线是由16个微带贴片天线串并联而成，其结构如图3所示，工作频率为5.8ghz。其尺寸为150×150×1mm³，能在较小的尺寸下保持较高的增益，最大辐射方向处的增益为19.6dbi，接收阵列天线将接收到的电磁波转换成高频电流流向低通滤波器。

本发明中所设计的低通滤波器采用十阶巴特沃斯低通滤波器，其对来自接收阵列天线的高次谐波电流具有抑制作用，从而提高整流的效率；阻抗匹配电路用于匹配电路输入端左右两侧的电阻相等，以减少高频电流的反射，减少能量的损失；采用肖特基二极管构成一阶倍压整流电路，用以将高频电流转换成直流电；直通滤波器可以将二极管流出的非直流的部分能量反射回整流二极管进行二次整流，并能够将直流电流平滑的输出，从而提升整流效率，以及输出电流的稳定；整个整流电路系统整流效率在工作频率处达到了51.3％。

如图1所示，电源管理模块接收来自整流电路的直流电，对直流电流进行储存和管理，间歇式的驱动传感终端采集数据，从而实现微波无线供能系统的应用价值。

图2为fabry-perot谐振腔天线结构图；(a)为底层；(b)为覆层；(c)为谐振腔；

本发明使用lineartechnology公司生产的ltc3129电源管理芯片，其电路图如图4所示，其可以在7.5μw的输入功率下启动和运行，能够很好的适应大部分无线低功率设备的要求，实现对整流电路输出的直流能量进行储存和分配，并适用于传感节点无线供能领域。

实测表明当传输距离在2.5m以内时，当目标距离越短时，电源管理模块的首次充电时间越短，且经过一段时间的首次充电过程后，电源管理电路开始周期性的驱动输出端直流负载，在经历首次充电后，每个放电充电周期内，可使传感器工作10s。

本发明通过设计能量管理模块，实现了收发天线在同时保持较小的尺寸和较高的增益下，以及整流电路在保持较高的整流效率下，对整流电路输出的直流电进行储存和管理，提高了无线供电在无线传感网络中的实际应用价值。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。