应用于无线功率传输中三次谐波天线及其校准方法与流程

本发明涉及天线校准方法，特别涉及应用于无线功率传输中三次谐波天线校准方法。
背景技术：
：远场无线功率传输技术促进了无线传感器网络快速发展。高定向接收、发射天线的使用能够实现基站与无线传感器网络间无线功率链路。然而，如图1所示，接收、发射天线间错位问题严重影响到无线功率链路的效率。因此，在无线功率传输应用中，需要对接收、发射天线进行校准。技术实现要素：本发明的目的是提供无线功率传输中三次谐波天线校准方法。三次谐波校准方法包括方法1和方法2。方法1中整流天线，包括天线1、天线2，改进型greinacher电荷泵和定向耦合器；方法2中整流天线，包括双波段天线1，改进型greinacher电荷泵和环形混合网络；所述改进型greinacher电荷泵包括电路结构相同的第一倍压器和第二倍压器；所述第一倍压器包括同向串联的第一二极管d1和第二二极管d2，串联的第一二极管d1和第二二极管d2两端并联第一电容c1，第一二极管d1的正极提供负载rl负电压v-，第一二极管d1的负极接第二二极管d2的正极，第二二极管d2的负极接地，第一二极管d1和第二二极管d2之间的电极点与第二电容c2的一端相连，第二电容c2的另一端作为第一倍压器的输入端；所述第二倍压器包括同向串联的第三二极管d3和第四二极管d4，串联的第三二极管d3和第四二极管d4两端并联第三电容c3，第四二极管d4的负极提供负载rl正电压v+，第三二极管d3的负极接第四二极管d4的正极，第三二极管d3的正极接地，第三二极管d3和第四二极管d4之间的电极点与第四电容c4的一端相连，第四电容c4的另一端作为第二倍压器的输入端；所述第一倍压器输出的负电压v-与第二倍压器输出的正电压v+等值。方法1中定向耦合器四个端口分别为输入、隔离、直通和耦合端口。定向耦合器的输入端口接天线1，隔离端口接天线2，定向耦合器的直通端口、耦合端口分别与第二倍压器的输入端、第一倍压器的输入端相连。方法2中环形混合网络四个端口分别为端口1、端口2、端口3和端口4。环形混合网络的端口1接双波段天线1，环形混合网络的端口2、端口3分别与第二倍压器的输入端、第一倍压器的输入端相连，环形混合网络的端口4接50欧姆电阻。所述方法1中定向耦合器的输入端口接天线1，隔离端口接天线2。方法2中环形混合网络的端口1接双波段天线1，环形混合网络的端口4接50欧姆电阻。所述方法1中定向耦合器的直通、耦合端口并联二次谐波抑制支节；所述方法2中环形混合网络的端口2、端口3并联二次谐波抑制支节。二次谐波抑制支节可以由基波频率下四分之一波长并联短路支节实现。解决发射、接收天线间错位问题，保证到达接收天线功率密度，提高无线功率传输系统性能，包括以下步骤：步骤1）；所述方法1中天线1接收相同工作频率天线3发射的电磁波，并通过定向耦合器传输至第一倍压器和第二倍压器；第一倍压器和第二倍压器高效率转换入射电磁波至直流功率的同时产生三次谐波。所述方法2中双波段天线1接收相同工作频率双波段天线2发射的电磁波，并通过环形混合网络传输至第一倍压器和第二倍压器；第一倍压器和第二倍压器高效率转换入射电磁波至直流功率的同时产生三次谐波。步骤2）；定向耦合器和环形混合网络具有电路结构周期性特征，在三次谐波频段下保持其定向耦合器和环形混合网络特征；方法1中第一倍压器和第二倍压器产生的三次谐波被全部传输至定向耦合器隔离端口，输入端口和隔离端口高度隔离，即输入端口接收到的入射电磁波传输至隔离端口功率为零；方法2中第一倍压器和第二倍压器产生的三次谐波被全部传输至环形混合网络端口1，端口1和端口4高度隔离，即端口1接收到的入射电磁波传输至端口4功率为零；步骤3）；三次谐波作为三次谐波天线输入功率，实现三次谐波反馈。方法1中定向耦合器隔离端口三次谐波作为工作在三次谐波的天线2输入功率，实现三次谐波反馈，并且被三次谐波天线4接收；方法2中环形混合网络端口1三次谐波作为工作在三次谐波的双波段天线1的输入功率，实现三次谐波反馈，并且被三次谐波双波段天线2接收；；步骤4）在距离相同和发射功率一致情况下，接收、发射天线间错位与三次谐波反馈功率相关，从而通过接收到的三次谐波反馈功率实现天线校准。方法1中天线4接收到的三次谐波反馈与错位角度相关，错位角度为零度时，接收到的三次谐波反馈功率最大；方法2中双波段天线2接收到的三次谐波反馈与错位角度相关，错位角度为零度时，接收到的三次谐波反馈功率最大；因此方法1和方法2通过接收三次谐波反馈实现接收、发射天线间校准。与现有技术相比，本发明的有益效果在于通过定向耦合器和环形混合网络的三次谐波天线校准方法，不需要额外添加反馈电路，有助于紧凑高效率无线功率传输系统实现。附图说明图1无线功率传输技术接收、发射天线错位示意图；图2定向耦合器电路符号（左）和环形混合网络电路符号（右）；图3实施例1具有三次谐波反馈的整流电路原理图；图4实施例2具有三次谐波反馈的整流电路原理图；图5实施例1天线校准系统原理图；图6实施例2天线校准系统原理图。具体实施方式下面结合实施例及本发明工作原理作进一步说明。图2（左）是定向耦合器的电路表示符号；作为四端口网络，如果所有端口匹配至50欧姆，输入端口的输入功率等分至直通、耦合端口；直通、耦合端口电压信号有90度相位差，输入端口与隔离端口隔离，即没有功率传输至隔离端口；所述定向耦合器的工作在基波频段w0下的散射参数矩阵可以表示为：所述定向耦合器具有电路结构周期性特征，工作在三次谐波频段3w0下的散射参数矩阵可以表示为：图2（右）是环形混合网络的电路表示符号；作为四端口网络，如果所有端口匹配至50欧姆，端口1的输入功率等分至端口2、端口3；端口2、端口3电压信号有180度相位差，端口1与端口4隔离，即没有功率传输至端口4；所述环形混合网络的工作在基波频段w0下散射参数矩阵可以表示为：所述环形混合网络具有电路结构周期性特征，工作在三次谐波频段3w0下的散射参数矩阵可以表示为：实施例1图3所示实施例1，方便计算，假设定向耦合器输入端口接收到的射频信号为，根据定向耦合器基波散射参数矩阵，定向耦合器直通、耦合端口的射频信号可以分别表示为：非线性第一倍压器和第二倍压器的输出响应可以通过泰勒展开描述，比如公式（5）中电压输入第二倍压器的输出响应可以表示为（7）其中是输出响应电压，，，和是泰勒展开系数。根据三角函数关系cos3x=(3/4)cosx+(1/4)cos3x，三次谐波由产生，并且三次谐波的产生随输入功率的增加而增加。因此，第二倍压器和第一倍压器在定向耦合器直通、耦合端口产生的三次谐波可以表示为：根据定向耦合器电路结构周期性特征，参考公式（2）定向耦合器三次谐波散射参数矩阵，三次谐波被定向耦合器传输至输入端口、隔离端口，可以表示为：从公式（10）和（11）可以看出，第一倍压器和第二倍压器产生的三次谐波全部传输至定向耦合器隔离端口，该部分三次谐波通过三次谐波天线2实现三次谐波反馈以达到接收、发射天线校准。结合实施例1，进行三次谐波天线校准方法的系统说明，实施例1天线校准系统原理图如图5所示。天线1、天线2平行并且间隔相同，以确保与相同布局的天线3、天线4间夹角相同，即q，如图5所示。天线1和天线3增益均与q相关，q越小增益越大，q为零度时增益达到最大，可以表示为g(q)，因此当天线3发射功率为ptx时，天线1能够接收到的功率pin可以根据雷达方程表示为：其中是基波工作频率下对应的电磁波波长。天线1接收到的功率pin通过定向耦合器耦合至第一倍压器和第二倍压器，假设第一倍压器和第二倍压器三次谐波占总输入功率的比值为k，因此当全部三次谐波传输至定向耦合器隔离端口的功率p’iso可以表示为：隔离端口三次谐波作为天线2的输入功率，实现三次谐波反馈，同样接收天线4接收到三次谐波反馈，接收到的三次谐波功率p’rx可以根据雷达方程表示为：其中是三次谐波频率下对应的电磁波波长，是三次谐波天线2和天线4对应的天线增益，与错位角度q相关，q越小增益越大，q为零度时增益达到最大。因此，通过公式（14）可以看出，三次谐波天线4接收到的三次谐波功率大小与错位角度q紧密相关，当q为零度时，接收到的三次谐波功率达到最大，从而实现通过三次谐波进行天线校准方法。实施例2图4所示实施例2，方便计算，假设环形混合网络端口1接收到的射频信号为，根据环形混合网络基波散射参数矩阵，环形混合网络端口2、端口3的射频信号可以分别表示为；非线性第一倍压器和第二倍压器的输出响应可以通过泰勒展开描述，比如公式（15）中电压输入第二倍压器的输出响应可以表示为：（17）其中是输出响应电压，，，和是泰勒展开系数。根据三角函数关系cos3x=(3/4)cosx+(1/4)cos3x，三次谐波由产生，并且三次谐波的产生随输入功率的增加而增加。因此，第二倍压器和第一倍压器在环形混合网络端口2、端口3产生的三次谐波可以表示为；根据环形混合网络电路结构周期性特征，参考公式（4）环形混合网络三次谐波散射参数矩阵，三次谐波被环形混合网络传输至端口1、端口4，可以表示为；从公式（20）和（21）可以看出，第一倍压器和第二倍压器产生的三次谐波全部传输至环形混合网络端口1，该部分三次谐波通过双波段天线1实现三次谐波反馈以达到接收、发射天线校准。结合实施例2，进行三次谐波天线校准方法的系统说明，实施例2天线校准系统原理图如图6所示。双波段天线1、双波段天线2的增益均与q相关，q越小增益越大，q为零度时增益达到最大，方便计算，双波段天线1、双波段天线2基波频段天线增益为g(q)，三次谐波频段天线增益为g’(q)。因此当双波段天线2发射基波电磁波功率为ptx时，双波段天线1能够接收到的功率pin可以根据雷达方程表示为：其中是基波工作频率下对应的电磁波波长。双波段天线1接收到的功率pin通过环形混合网络耦合至第一倍压器和第二倍压器，假设第一倍压器和第二倍压器三次谐波占总输入功率的比值为k，因此当全部三次谐波传输至环形混合网络端口1的功率p’1可以表示为：端口1三次谐波作为双波段天线1的输入功率，实现三次谐波反馈，同样双波段天线2接收到三次谐波反馈，接收到的三次谐波功率p’rx可以根据雷达方程表示为：其中是三次谐波频率下对应的电磁波波长。因此，通过公式（14）可以看出，三次谐波天线4接收到的三次谐波功率大小与错位角度q紧密相关，当q为零度时，接收到的三次谐波功率达到最大，从而实现通过三次谐波进行天线校准方法。当前第1页12