一种基于环形耦合器的宽角度整流电路

本发明涉及射频整流电路的，更具体地，涉及一种基于环形耦合器的宽角度整流电路。

背景技术：

1、随着物联网的蓬勃发展，无线传感器网络作为物联网的核心内容之一，迅速成为了当下的研究热点。目前，物联网中大多数传感器节点仍为电池供电，但是电池的寿命是有限的，当电池电量耗尽后，人工更换电池将耗费大量的人力物力。因此，能量的持续供给成为了制约物联网发展的紧迫问题。由于物联网传感器节点所需功耗较低，环境中的电磁能量来源日益增加，因而可以采用射频能量收集技术来为无线传感器节点高效地解决供电问题。

2、射频能量收集系统主要由发射系统和接收系统两部分组成。其中，发射系统主要是散布于环境中的电磁能量源，接收系统则主要包括接收天线、整流电路、能量管理与储存单元等。整流电路负责将接收天线接收到的射频能量转换为直流能量，是射频能量收集系统中的一个重要组成单元，其性能的优劣对射频能量收集系统的整体性能有这至关重要的影响。射频-直流的能量转换效率是射频整流电路的一个关键性能指标。由于整流电路是非线性电路，导致其能量转换效率受到电路的输入功率、频段、负载等各个因素的影响。其中，电磁波入射角的变化是其中一个不可忽视的因素。通常，单一的整流天线只能接收一个方向的电磁波，为了能够吸收更多方向的电磁波能量，国内外学者提出将接收天线设计成多波束天线或者天线阵列。将接收的多个不同方向的电磁波进行整合，增加整流电路的输入功率，从而提升系统的转换效率。然而不同的输入功率因为相位差，会存在着相互抵消，反而降低了整流电路整体的输入功率，降低了整流效率。

3、现有技术公开了一种宽输入功率范围的双频整流电路，包括上层微带结构、中间介质基板和底层金属地板，所述上层微带结构印制在中间介质基板的上表面，所述底层金属地板印制在中间介质基板的下表面，所述上层微带结构由双频t型结、第一子双频整流电路与第二子双频整流电路构成，所述双频t型结分别与第一子双频整流电路及第二子双频整流电路相连；该申请通过双频t型结进行阻抗变换，降低了由于功率变化导致的两个子双频整流电路之间的干扰，但无法消除信号的相位差，整流效率差。

技术实现思路

1、本发明为克服上述现有技术对多个不同方向的电磁波进行整合时，由于输入功率存在导致整流效率的缺陷，提供一种基于环形耦合器的宽角度整流电路，能够消除不同方向电磁波的相位差，提高整流效率。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

3、本发明提供了一种基于环形耦合器的宽角度整流电路，包括微带结构、介质基板和金属地板；所述微带结构设置在介质基板的上表面，金属地板设置在介质基板的下表面；

4、所述微带结构包括环形耦合器、第一阻抗匹配单元、第二阻抗匹配单元、第一整流单元和第二整流单元；

5、所述环形耦合器包括第一环形微带、第二微带线、第三微带线、第四微带线和第五微带线；所述第二微带线与第一环形微带的外轮廓连接，并以第二微带线为起点，在第一环形微带的外轮廓上等间距依次设置第三微带线、第四微带线和第五微带线；第二微带线、第三微带线、第四微带线和第五微带线所在的直线均穿过第一环形微带的圆心；

6、所述第二微带线和第四微带线为环形耦合器的射频输入端口，所述第三微带线和第五微带线为环形耦合器的电压输出端口；所述第三微带线与所述第一阻抗匹配单元的一端连接，第一阻抗匹配单元的另一端与第一整流单元的一端连接；所述第五微带线与所述第二阻抗匹配单元的一端连接，第二阻抗匹配单元的另一端与第二整流单元的一端连接。

7、由于第二微带线、第三微带线、第四微带线和第五微带线在第一环形微带的设置位置，当从第二微带线和第四微带线输入的两个射频信号相位差为0°的时候，两个射频信号输入之和只送入与第三微带线连接的第一阻抗匹配单元和第一整流单元进行整流；当两个射频信号相位差为180°时，两个射频信号输入之和只送入与第五微带线连接的第二阻抗匹配单元和第二整流单元进行整流；当两个射频信号相位差为0°-180°之间的时候，两个射频信号输入之和分别送入第三微带线和第五微带线，进而分别进入第一阻抗匹配单元和第一整流单元、第二阻抗匹配单元和第二整流单元，分别进行整流。从而消除了相位差，提高了电路的整流效果。

8、优选地，所述间距为整流电路的工作频率对应的波长的四分之一。

9、优选地，所述第一阻抗匹配单元包括第六微带线和第七微带线；

10、所述第六微带线的一端与第七微带线的一端连接，第六微带线与第七微带线相互垂直；

11、第七微带线的一端与第三微带线连接，第七微带线与第三微带线共线；第七微带线的另一端与第一整流单元的一端连接。

12、优选地，所述第一整流单元包括电容c1、第八微带线、整流管d1、第九微带线、整流管d2、第十微带线、第十一微带线、电容c2、第十二微带线、电阻r1和第十三微带线；

13、所述电容c1的一端作为第一整流单元的一端与第七微带线的另一端连接，电容c1的另一端与第八微带线的一端连接；第八微带线的另一端与整流管d1的负极连接，整流管d1的正极与第九微带线的一端连接；第九微带线的另一端设置有第一金属通孔，第九微带线通过所述第一金属通孔与金属地板连接；

14、第八微带线的另一端与整流管d2的正极连接，整流管d2的负极与第十微带线的一端连接，第十微带线的另一端与第十一微带线的一端连接，第十一微带线的另一端与电容c2的一端连接，电容c2的另一端与第十二微带线的一端连接；第十二微带线的另一端设置有第二金属通孔，第十二微带线通过所述第二金属通孔与金属地板连接；

15、第十微带线的另一端还与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端与第十三微带线的一端连接；第十三微带线的另一端设置有第三金属通孔，第十三微带线通过所述第三金属通孔与金属地板连接。

16、优选地，所述第二阻抗匹配单元包括第十四微带线和第十五微带线；

17、所述第十四微带线的一端与第十五微带线的一端连接，第十四微带线与第十五微带线相互垂直；

18、第十五微带线的一端与第五微带线连接，第十五微带线与第五微带线共线；第十五微带线的另一端与第二整流单元的一端连接。

19、优选地，所述第二整流单元包括电容c3、第十六微带线、整流管d3、第十七微带线、整流管d4、第十八微带线、第十九微带线、电容c4、第二十微带线、电阻r2和第二十一微带线；

20、所述电容c3的一端作为第二整流单元的一端与第十五微带线的另一端连接，电容c3的另一端与第十六微带线的一端连接；第十六微带线的另一端与整流管d3的负极连接，整流管d3的正极与第十七微带线的一端连接；第十七微带线的另一端设置有第四金属通孔，第十七微带线通过所述第四金属通孔与金属地板连接；

21、第十六微带线的另一端与整流管d4的正极连接，整流管d4的负极与第十八微带线的一端连接，第十八微带线的另一端与第十九微带线的一端连接，第十九微带线的另一端与电容c4的一端连接，电容c4的另一端与第二十微带线的一端连接；第二十微带线的另一端设置有第五金属通孔，第二十微带线通过所述第五金属通孔与金属地板连接；

22、第十八微带线的另一端还与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端与第二十一微带线的一端连接；第二十一微带线的另一端设置有第六金属通孔，第二十一微带线通过所述第三金属通孔与金属地板连接。

23、优选地，所述第二微带线和第四微带线均为特性阻抗为50欧姆的微带线。

24、优选地，所述整流电路的工作频率f＝2.45ghz。

25、优选地，所述第六微带线和第十四微带线的尺寸相同；所述第七微带线和第十五微带线的尺寸相同。

26、优选地，所述环形耦合器的电压输出端口输出电压的具体计算方法为：

27、

28、

29、式中，vout3(t)表示第三微带线t时刻的输出电压，vout5(t)表示第五微带线t时刻的输出电压，vin2(t)表示第二微带线t时刻的输入射频电压，vin4(t)表示第四微带线t时刻的射频电压；a表示输入射频的幅值，ω表示输入射频的角频率，表示输入射频的相位差。

30、与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

31、本发明基于设计的环形耦合器结构，在第一环形微带的外轮廓上设置第二微带线，并以第二微带线为起点，在第一环形微带的外轮廓上等间距依次设置第三微带线、第四微带线和第五微带线，将第二微带线和第四微带线作为射频输入端口，将第三微带线和第五微带线作为电压输出端口；当输入的两个射频信号相位差为0°的时候，两个射频信号输入之和只送入与第三微带线连接的第一阻抗匹配单元和第一整流单元进行整流；当两个射频信号相位差为180°时，两个射频信号输入之和只送入与第五微带线连接的第二阻抗匹配单元和第二整流单元进行整流；当两个射频信号相位差为0°-180°之间的时候，两个射频信号输入之和分别送入第三微带线和第五微带线，进而分别进入第一阻抗匹配单元和第一整流单元、第二阻抗匹配单元和第二整流单元，分别进行整流，从而消除了不同方向射频信号之间的相位差，提高了电路的整流效果。