一种基于微波RFID频段小功率输入的高效整流天线的制作方法

本发明涉及无线能量传输技术领域，更具体地，涉及一种基于微波RFID频段小功率输入的高效整流天线。

背景技术：

相较于传统的有线能量传输方式，无线能量传输(WPT：Wireless Power Transmission)技术在很多应用场景中有着无可比拟的优势。比如在跨地域输电、外太空能量传输等大功率传输场景，以及无线传感器供电、体内医疗设备供电等小功率应用场景。而在无线能量传输的几种方式中，微波能量传输(MPT：Microwave Power Transmission)方式具有传输距离远，灵活度高，集成度大等优点，受到极大关注。自尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)首度提出MPT概念后，人们对其进行了大量研究。研究重点首先集中在空间太阳能传输、微波驱动无人机、高空作业平台等大功率传输场合。而随着集成电路以及半导体技术的发展，各类电子电路尺寸的不断小型化，MPT研究在小功率应用领域中也得到了广泛关注，其应用研究主要集中在无线传感器网络供电、体内医学设备续航等场合，这对MPT技术的研究提出了高效化，小型化以及集成化的要求。

接收模块的整流天线(Rectenna)是整个MPT系统的关键部分，包括接收天线(Antenna)与整流电路(Rectifier)两部分，其工作效果直接影响了微波能量传输的整体效率。其主要技术指标包括：接收天线的增益与微波整流电路的整流效率。而针对不同的应用场景，还对整流天线有体积尺寸、制作工艺、工作频率、转换效率等各项指标的要求。

但传统整流天线的工作频率较低，体积很大，集成较难以及转换效率较低，在很多应用场合的使用都受到较大的限制。

技术实现要素：

本发明为解决以上现有技术的缺陷，提供了一种基于微波RFID频段小功率输入的高效整流天线，该天线的能量转换效率较高，因而能够满足小功率应用的要求；且由于整流天线是基于RFID频段设计的，频率高、尺寸小，适用范围广，易于推广。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种基于微波RFID频段小功率输入的高效整流天线，包括工作在微波RFID频段的微带接收天线和微带整流电路，微带接收天线的输出接口点与微带整流电路的输入接口点进行连接，所述微带整流电路包括输入接口、阻抗匹配电路、整流电路、输出滤波器和负载，其中输入接口的输入端与微带接收天线的输出端连接，输入接口的输出端依次通过阻抗匹配电路、整流电路、输出滤波器与负载连接。

本发明提供的整流天线的具体工作过程如下：

微带接收天线接收低功率微波能量，然后通过输出端将微波能量传至微带整流电路的输入接口，再经阻抗匹配电路进入整流电路整流，整流完成后通过输出滤波器滤除谐波，得到输出电压向直流负载供电。

上述方案中，阻抗匹配电路将整流电路的输入阻抗匹配至微带接收天线的输入阻抗，因此输入接口两端的阻抗匹配，从而使得微波能量能够充分馈入整流电路，并经过整流电路进行转换，得到直流分量对负载进行供电。因此，本发明提供的整流天线与现有技术相比，能够得到更高的能量转换效率。

优选地，所述微带整流电路还包括有输入滤波器，所述输入滤波器采用双T型微带陷波器结构，输入接口的输出端与输入滤波器的输入端连接，输入滤波器的输出端与阻抗匹配电路的输入端连接。增设输入滤波器并使输入滤波器采用双T型微带陷波器结构，使得微带整流电路能够实现5.8GHz带通与11.6GHz/17.4GHz双频带陷，同时实现与天线的输入阻抗保持一致，减少反射，进一步降低微波能量的损耗。

优选地，所述输出滤波器包括小扇形滤波器、大扇形滤波器和线型枝节滤波器，小扇形滤波器的输入端与整流电路的输出端连接，小扇形滤波器的输出端依次通过大扇形滤波器和线型枝节滤波器与负载连接。小扇形滤波器、大扇形滤波器和线型枝节滤波器用于通过整流电路产生的直流分量，阻隔5.8GHz的基频分量和整流电路整流过程中产生的二次及三次谐波分量，实现5.8GHz/11.6GHz/17.4GH三频带阻，把高次谐波有效约束在输入滤波器和输出滤波器之间，提高整流电路的整流效率。

优选地，所述整流电路包括整流二极管，整流二极管的阳极接地，阴极接阻抗匹配电路的输出端与输出滤波器的输入端，其中所述整流二极管为肖特基二极管。整流电路采用肖特基二极管，具有低功耗、大电流、反向恢复时间短、正向导通电压低的优点，适用于微波RFID的整流场合。

优选地，所述阻抗匹配电路采用单枝节匹配方式对整流二极管的输入阻抗进行匹配。

优选地，所述微带接收天线包括地板、辐射板、支柱和同轴馈电的SMA头，其中地板与辐射板平行设置，地板与辐射板之间留有作为空气隙存在的间距，地板通过支柱与辐射板连接；同轴馈电的SMA头的探针穿出地板后与辐射板连接。其中，辐射板构成辐射单元，地板构成地平面，辐射单元、地平面之间采用同轴馈电的方式进行激励。当微带接收天线接收到微波能量时，微波能量经由输出端的同轴馈电的SMA头进行输出，进行下一步的处理。

优选地，所述地板包括介质层和覆铜层，介质层的底面与覆铜层的顶面贴合；所述辐射板包括介质层和覆铜层，介质层的顶面与覆铜层的底面贴合；所述同轴馈电的SMA头依次穿出地板的覆铜层、地板的介质层、辐射板的介质层后与辐射板的覆铜层连接。地板的覆铜层构成地平面，辐射板的覆铜层构成辐射单元，两覆铜层之间间隔着两层介质层和空气隙，由此，两覆铜层之间的相对介电常数减少，有利于抑制各元素间的杂散波串扰，易于组阵。

优选地，所述地板的横向剖面呈正方形，其长为18.5mm，宽为18.5mm，地板的厚度为08mm；所述辐射板的横向剖面呈圆形，其半径为5.9mm，辐射板的厚度为0.25mm。

优选地，所述地板的中心与辐射板的中心对准；所述微带接收天线包括四根支柱，四根支柱均匀分布在以地板中心为圆心的圆周方向上，四根支柱的两端分别与地板、辐射板连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明提供的整流天线是基于RFID频段设计的，频率高、尺寸小，适用范围广，易于推广。

2)本发明提供的整流天线的能量转换效率较高，因而能够满足小功率应用的要求。

3)辐射单元、地平面之间间隔着两层介质层和空气隙，辐射单元、地平面之间的介电常数减少，有利于抑制各元素间的杂散波串扰，易于组阵。

附图说明

图1为整流天线的结构示意图。

图2为微带接收天线的俯视图。

图3为微带接收天线的纵向剖面示意图。

图4为微带整流电路的结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

如图1所示，整流天线包括微带接收天线1和微带整流电路2，两者通过接头3进行连接。当向微带接收天线1发射RFID频段的微波时，微带接收天线1可以接受微波能量，并通过接头3把微波能量传输到微带整流电路2。

如图2、3所示，微带接收天线1包括地板4、辐射板5、支柱8和同轴馈电的SMA头6，其中地板4与辐射板5平行设置，地板4与辐射板5之间留有作为空气隙7存在的间距，地板4通过支柱8与辐射板5连接；同轴馈电的SMA头6穿出地板4后与辐射板5连接

如图3所示，地板4包括介质层41和覆铜层42，介质层41的底面与覆铜层42的顶面贴合；所述辐射板5包括介质层51和覆铜层52，介质层51的顶面与覆铜层52的底面贴合，所述同轴馈电的SMA头6的探针依次穿出地板4的覆铜层42、地板4的介质层41、辐射板5的介质层51后与辐射板5的覆铜层52连接。地板4的覆铜层42构成地平面，辐射板5的覆铜层52构成辐射单元，辐射单元、地平面之间采用同轴馈电的方式进行激励。两覆铜层之间间隔着两层介质层和空气隙7，由此，两覆铜层之间的介电常数减少，有利于抑制各元素间的杂散波串扰，易于组阵。在具体实施的时候，地板4、辐射板5可采用聚四氟乙烯覆铜板制成。

其中，地板4的介电常数ε＝2.28，损耗正切角tanθ＝0.0015；辐射板5的介电常数ε＝2.28，损耗正切角tanθ＝0.0015。

本实施例中，如图2所示，地板4的横向剖面呈正方形，其长为18.5mm，宽为18.5mm，地板4的厚度为0.8mm；所述辐射板5的横向剖面呈圆形，其半径为5.9mm，辐射板5的厚度为0.25mm。地板4的中心与辐射板5的中心对准。所述微带接收天线1包括四根支柱8，分别为支柱81、支柱82、支柱83、支柱84，四根支柱8均匀分布在以地板4中心为圆心的圆周方向上，四根支柱8的两端分别与地板4、辐射板5连接。支柱8由聚四氟乙烯材料制成，在具体实施的时候宜将支柱8制成长方体状。

如图4所示，微带整流电路2包括输入接口、输入滤波器9、阻抗匹配电路10、整流电路11、输出滤波器12和负载13，其中输入接口的输入端与接头3的输出端连接，输入接口的输出端依次通过输入滤波器9、阻抗匹配电路10、整流电路11、输出滤波器12与负载13连接。

其中微带整流电路2的具体工作原理如下：

微带接收天线1接收低功率微波能量，然后通过接头3的输出端将微波能量传至微带整流电路2的输入接口，再经阻抗匹配电路10进入整流电路11整流，整流完成后通过输出滤波器12滤除谐波，得到输出电压向直流负载13供电。

上述方案中，阻抗匹配电路10将整流电路11的输入阻抗匹配至微带接收天线1的输入阻抗，因此输入接口两端的阻抗匹配，从而使得微波能量能够充分馈入整流电路11，并经过整流电路11进行转换，得到直流分量对负载13进行供电。因此，本发明提供的整流天线与现有技术相比，能够得到更高的能量转换效率。

本实施例中，微带整流电路2还包括有输入滤波器9，所述输入滤波器9采用双T型微带陷波器结构，输入接口的输出端与输入滤波器9的输入端连接，输入滤波器9的输出端与阻抗匹配电路10的输入端连接。增设输入滤波器9并使输入滤波器9采用双T型微带陷波器结构，使得微带整流电路2能够实现5.8GHz带通与11.6GHz/17.4GHz双频带陷，同时实现与天线的输入阻抗保持一致，减少反射，进一步降低微波能量的损耗。

本实施例中，输出滤波器12包括小扇形滤波器、大扇形滤波器和线型枝节滤波器，小扇形滤波器的输入端与整流电路11的输出端连接，小扇形滤波器的输出端依次通过大扇形滤波器和线型枝节滤波器与负载13连接。小扇形滤波器、大扇形滤波器和线型枝节滤波器用于通过整流电路11产生的直流分量，阻隔5.8GHz的基频分量和整流电路11整流过程中产生的二次及三次谐波分量，实现5.8GHz/11.6GHz/17.4GH三频带阻，把高次谐波有效约束在输入滤波器9和输出滤波器12之间，提高整流电路11的整流效率。

本实施例中，整流电路11包括整流二极管，整流二极管的阳极接地，阴极接阻抗匹配电路10的输出端与输出滤波器12的输入端，其中所述整流二极管为肖特基二极管。整流电路11采用肖特基二极管，具有低功耗、大电流、反向恢复时间短、正向导通电压低的优点，适用于微波RFID的整流场合。阻抗匹配电路10采用单枝节匹配方式对整流二极管的输入阻抗进行匹配。

采用本发明提供的整流天线，整流天线接收功率为0dBm时，输出直流电压可以达到1.3V以上，整体能量转换效率可以达到60％。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。