一种采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线

1.本发明涉及一种采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线，属于射频整流天线技术领域。


背景技术：

2.近年来，为了满足物联网中电子设备的供能需求，射频能量采集技术得到了广泛的关注与研究。它是通过采集电磁波能量为电子器件进行供电的前瞻性技术，其涵盖了信息通讯、电力系统、医疗设备、航空航天等诸多领域。由于射频能量正在从世界各地数十亿的无线电发射器中发射而出，利用射频能量来为一些低功耗电路供电已经成为一种趋势。该项技术的推广与应用，为实现新的能源供给方式和射频能量的复利用带来了新契机。
3.射频能量采集系统中的核心部件是整流天线，包括射频能量采集天线和整流电路。自由空间内的射频能量被采集天线接收后，整流电路将射频能量转换成直流电能供负载使用。对于射频能量采集系统而言，射频能量到直流能量的转换效率是一个关键性能指标。在射频能量采集的过程中，由于入射电磁波的功率一般较低，导致天线采集到的射频功率也比较低，进而会降低整流电路的能量转换效率。因此，为了提高采集的射频功率，需要采用阵列天线来接收射频能量。在进行全向射频能量采集时，可用多个指向不同的阵列天线来覆盖更多的角度范围。如果射频能量采集天线能够接收多种极化方式的电磁波，则可有效拓展系统的采集维度。由于入射电磁波的方向是不确定的，每个阵列天线接收的功率是时变的，从而导致阵列天线后端的整流电路输入功率也是时变的，降低了系统的能量转换效率。因此，需要设计合理的整流电路合并结构以实现功率优化整合，获得理想的接收效果。专利号cn114336030a 提出了一种多频段全向整流天线，采用椭圆形印刷单极子天线与三路宽带整流电路设计进行射频能量采集，但该方案无法工作于空间内不同极化的电磁波入射的场景；专利号cn108039591b 提出了具有谐波抑制能力的双线极化整流天线，采用u型缝隙耦合双极化天线和双支路整流电路设计来接收电磁波能量，但是该方案能够覆盖的空间范围较窄，且无法消除输入整流电路的功率失配带来的能量损耗，具有一定的局限性。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线，能够在各种复杂的电磁场环境中实现较好的射频能量采集效果。
5.为达到上述目的，本发明提供一种采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线，包括电连接的天线和整流电路，所述天线包括正交设置的水平极化单元与垂直极化单元；所述水平极化单元包括水平极化组，所述水平极化组包括锥形巴伦，所述锥形巴伦的中心点为馈电点，所述锥形巴伦周向均布若干扇形的辐射枝节，各所述辐射枝节通过渐变微带线连接锥形巴伦；
所述垂直极化单元包括反射层和平行于反射层的垂直极化组，所述垂直极化组包括相连的渐变巴伦和偶极子，所述馈电点位于渐变巴伦的中心。
6.进一步地，所述天线还包括第一介质基板和第二介质基板；所述第一介质基板的两面分别设置两个水平极化组，两所述水平极化组中的锥形巴伦的馈电点同轴设置；所述第二介质基板包括嵌套设置的内筒介质基板和外筒介质基板，所述内筒介质基板的外壁设置反射层，所述外筒介质基板的内外壁分别设置一垂直极化单元，两个所述垂直极化单元的投影中心对称设置，对称中心与两馈电点同轴设置。
7.进一步地，所述内筒介质基板轴线方向的两端均设置第一介质基板，两所述第一介质基板上的馈电点同轴设置；所述第二介质基板上，以内筒介质基板轴线为中心，均布四组两个中心对称设置的垂直极化单元。
8.进一步地，所述天线和整流电路之间设置功率合并网络，所述功率合并网络包括：电连接的功分器组和耦合器；所述功分器组包括两分别连接水平极化单元和垂直极化单元的功分器，各所述功分器为一分n功分器，所述n为极化单元的数量，功分器的每个端口连接一极化单元。
9.进一步地，所述整流电路并联设置两组，连接耦合器。
10.进一步地，所述整流电路包括串接的t型结和交叉结，所述t型结和交叉结之间设置流向为t型结至交叉结的二极管；进一步地，所述t型结和交叉结的各个端口均串接有微带线。
11.进一步地，所述功分器为威尔金森功分器。
12.进一步地，所述辐射枝节的扇形的圆心为馈电点。
13.进一步地,，所述反射层为金属反射层。
14.本发明所达到的有益效果：本发明提供一种采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线，本发明设置圆周排布的全向天线阵列来接收水平极化的电磁波，设计四偶极子阵列来接收垂直极化的电磁波，使得天线能够工作在多种极化状态，具有较好的全向特性；本发明提供射频功率合并网络，在进行射频能量采集时，采用一分多的功分器对各极化单元进行射频能量采集，减小了各单元采集的能量差异对于整流效率的影响，在不同的极化接收测试场景下均能够获得较高且稳定的能量转换效率。
附图说明
15.图1是本发明实施例提供的一种采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线中天线的立体图；图2为本发明中天线的实物图；图3为本发明中天线单元的 s 参数和隔离度仿真、测试结果图；图4为本发明中天线在水平极化状态下 xoy、yoz 面仿真和测试的辐射方向图；图5为本发明中天线在垂直极化状态下 xoy、yoz 面仿真和测试的辐射方向图；图6为本发明中整流电路的原理结构图；
图7为本发明中整流电路的实物图；图8为本发明中整流电路效率的仿真和测试结果图；图9为本发明中射频功率合并网络的结构示意图；图10为本发明中射频功率合并网络的实物图；图11为本发明中射频功率合并网络的 s 参数仿真和测试结果图；图12为本发明中射频功率合并网络的插入损耗和隔离度测试结果图；图13为本发明采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线原理图；图14为本发明采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线实物图；图15为本发明采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线测试场景图；图16为本发明采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线在水平极化接收时的效率仿真和测试结果图；图17为本发明采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线在垂直极化接收时的效率仿真和测试结果图；图18为本发明采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线在水平和垂直极化均接收时的效率仿真和测试结果图；图19为本发明采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线的结构尺寸图；图中：100、第一介质基板；110、锥形巴伦；120、辐射枝节；130、渐变微带线；200、第二介质基板；210、外筒介质基板；220、偶极子；230、渐变巴伦；240、反射层；250、内筒介质基板。
具体实施方式
16.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
17.本发明的实施例提供一种采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线，包括电连接的天线、功率合并网络和整流电路，在天线设计部分，本发明实施例采用两个圆周排布的全向天线阵列来接收水平极化的电磁波，并采用四偶极子220阵列来接收垂直极化的电磁波，通过合理布局实现双极化全向天线阵列设计；在整流电路设计部分，本发明实施例采用半波整流结构进行射频能量到直流能量转换，考虑到空间内射频能量的功率密度，选用导通电压阈值较低的肖特基二极管 hsms-2850；为了减小各单元采集的能量差异对于整流效率的影响，本发明实施例采用功率合并网络对天线与整流电路进行联合，对天线采集到的能量进行再分配，实现了基于射频功率合并原理的双极化全向整流天线阵列设计。
18.在具体设计时，所述天线包括水平极化阵列和垂直极化阵列，水平极化阵列包括两层同心放置的第一介质基板100，各所述第一介质基板100为相对介电常数为 3.66、损耗角正切为0.0037、厚度为 30mil 的 rogers ro4350b 圆形介质基板，两所述第一介质基板100的轴线位于同一直线，在各所述第一介质基板100上设置有水平极化单元，各所述水平极化单元包括两个水平极化组，两所述水平极化组分别位于第一介质基板100的两个面。
19.在具体设计时，各所述水平极化组均包括巴伦、辐射枝节120和微带线，所述巴伦位于第一介质基板100的圆心，馈电点与圆心重合，若干辐射枝节120以巴伦为中心，周向均布，辐射枝节120和巴伦通过微带线连接；本发明在设计时，选用锥形巴伦110，并以锥形巴
伦110为中心周向均布扇形的辐射枝节120，辐射枝节120扇形的中心点为锥形巴伦110的中心点，为第一介质基板100的中心点，每个辐射枝节120均通过渐变微带线130连接锥形巴伦110。
20.在具体设计时，在第一介质基板100的两个水平极化组中，锥形巴伦110的馈电点同轴设置，两水平极化组中的辐射枝节120的投影重合，但两投影重合的辐射枝节120对应的渐变微带线130的投影对称设置。
21.在第一介质基板100上设计水平极化单元时，在第一介质基板100的两面均印制金属层，在金属层中设置有水平极化组，即可完成水平极化设置。
22.在具体设计时，垂直极化阵列包括第二介质基板200，所述第二介质基板200包括两嵌套设置的内筒介质基板250和外筒介质基板210，所述第二介质基板200的材质特征为相对介电常数为 3、损耗角正切为 0.05、厚度为 0.8mm 的 c-uv 9400e介质基板，内筒基板和外筒介质基板210同轴设置，内筒介质基板250轴线方向的两端分别连接两第一介质基板100，内筒介质基板250的轴线与两第一介质基板100的轴线重合，内筒介质基板250外壁和外筒介质基板210的内壁之间设置8根连接柱，连接柱的两端分别连接内筒介质基板250外壁和外筒介质基板210的内壁，在第二介质基板200上设置垂直极化单元。
23.在具体设计时，所述垂直极化单元包括若干垂直极化组，所述垂直极化组包括金属反射层240和垂直极化单元，所述垂直极化单元平行于金属反射层240，所述金属反射层240印制在内筒介质基板250的外壁上，所述垂直极化单元设置在外筒介质基板210上，本发明中，在所述外筒介质基板210的内外壁上分别设置一垂直极化单元，两所述垂直极化单元的投影中心对称设置，且对称中心与两垂直极化单元的馈电点同轴设置。
24.在具体设计时，以内筒介质基板250轴线为中心，均布四组两个投影中心对称设置的垂直极化单元。
25.在设计垂直极化组时，选用矩形条状的偶极子220和渐变巴伦230，本发明引入渐变巴伦230可有效改善阻抗匹配，所述偶极子220和渐变巴伦230一体制作，印制在45μm的薄膜电路上。
26.在第二介质基板200上设计垂直极化单元时，在内筒介质基板250的外壁上印制金属反射层240，四组垂直极化单元共用此金属反射层240。
27.在设计整流电路时，本发明采用半波整流结构进行射频能量到直流能量转换，选用t型结、二极管和交叉结串联，二极管的流向是从t型结流向交叉结，考虑到空间内射频能量的功率密度，选用导通电压阈值较低的肖特基二极管 hsms-2850；在t型结和交叉结的各个端口均串接有微带线，各个微带线的标号和尺寸如图所示，在天线和整流电路之间设置功率合并网络，将天线与整流电路进行联合，对采集到的能量进行再分配，可有效减小各单元的能量差异对于整流效率的影响；在具体设计时，所述功率合并网络包括电连接的功分器和耦合器，所述耦合器并联两组整流电路，所述功分器用于整合极化单元收集到的能量，包括两组分别连接水平极化单元和垂直极化单元的功分器，所述功分器选用威尔金森功分器，各所述功分器为一分n功分器，所述n为极化单元的数量，功分器的每个端口连接一极化单元，在本发明中，一个功分器分为两个，分别连接两水平极化单元，另一个功分器分为四个，分别连接四个垂直极化单元。
28.具体天线的尺寸结合图19，参见表1：
29.图 2 展示了本发明实施例中天线的实物图。可以发现，为了便于信号输入，天线的各极化单元均焊接上50ω的 sma 射频电缆线。为了便于空间布局，在内筒介质基板上加工了多个非金属化通孔。内筒介质基板和外筒介质基板均采用3d打印进行加工，垂直极化单元印制在厚度为45μm的薄膜电路上。在装配时不同介质基板的对应通孔以及各极化单元的位置均需要进行校准。
30.图3提供了本发明实施例中天线的 s 参数和隔离度仿真和测试结果。
31.如图3（a）中所示，水平极化单元和垂直极化单元在中心频率 2.45ghz 处具有较好的阻抗匹配，仿真和测试的s参数均低于-30db。水平极化单元的测试阻抗带宽为2.16ghz~2.77ghz，而垂直极化单元的s参数测试结果在2.17ghz~2.58ghz范围内小于-10db；而仿真的阻抗带宽与测试值相比略窄，在2.22ghz~2.66ghz 范围内，水平极化单元s参数仿真值小于-10db，而垂直极化单元的仿真阻抗带宽为 2.31ghz~2.62ghz。如图3（b）所示，水平极化单元和垂直极化单元各自内部端口之间的隔离度测试和仿真结果均优于18db，而水平极化与垂直极化单元端口间的隔离度测试与仿真结果均优于55db。
32.图4给出了本发明实施例中天线在水平极化状态下 xoy、yoz 面仿真和测试的辐射方向图。结果表明，在xoy面，天线有较好的全向辐射特性，其仿真和测试的最大实际增益分别为5.31dbi和5.01dbi；仿真的增益波动为0.38db，而在测试时的增益波动为0.85db。在yoz面，天线的辐射方向图具有良好的对称性。天线在xoy和yoz平面仿真和测试的交叉极化均小于-30db。
33.图5提供了本发明实施例中天线在垂直极化状态下xoy、yoz面仿真和测试的辐射方向图。可以发现，在xoy面，天线增益波动的仿真值为0.9db，对应测试时的增益波动为1.36db；仿真的最大增益达到了2.25dbi，测试时最大增益值为1.83dbi，yoz面天线的辐射方向图同样呈现对称性。在xoy平面，天线的仿真和测试交叉极化均小于-30db，而仿真和测试的交叉极化在yoz平面则均小于-40db。
34.图 6 给出了本发明实施例中整流电路的原理结构图，该整流电路选用厚度为30mil、相对介电常数为 3.66、损耗角正切为 0.0037 的 rogers ro4350b 介质基板和hsms-2850肖特基二极管，其最优输出负载为1900ω，电路结构简单且尺寸较小，与本发明实施例中天线具有相同的工作频率。表2提供了图6中整流电路的尺寸参数：
35.图7展示了本发明实施例中整流电路的实物图，整流电路的一端微带线上焊接sma接头进行能量输入，在另一端微带线焊接上导线以便于与负载连接，正面微带结构通过一圆形金属化过孔与背面的金属层相连接地。
36.图8提供了本发明中整流电路效率的仿真和测试结果，不难看出，当单个整流电路的输入功率范围为-8dbm至9dbm时，整流电路的实际测试能量转换效率均超过50%，而此时对应仿真的输入功率范围为-7dbm~4dbm。仿真与测试的最大整流效率分别为70.48%和71.9%，最大值均在输入功率为2dbm 时取得。
37.图9给出了本发明实施例中射频功率合并网络的结构示意图，射频功率合并网络同样采用相对介电常数为3.66、损耗角正切为0.0037、厚度为30mil的rogers ro4350b介质基板。功率合并网络包括一个一分二和一个一分四威尔金森功分器以及3db定向耦合器，隔离电阻的引入便于实现各端口间的高隔离度，减小各支路间的能量耦合。功率合并网络的端口1、2、3、4和端口5、6分别与垂直极化天线单元与水平极化天线单元的输出端口对应。表3提供了图9中射频功率合并网络的结构尺寸：
38.图 10 展示了本发明实施例中射频功率合并网络的实物图。为了便于能量输入和输出，网络的端口均焊接上50ω的sma连接头，网络的正面均为微带结构，背面为金属地，隔离电阻的型号为阻值100ω的1812贴片电阻。
39.图11给出了本发明实施例中射频功率合并网络的s参数仿真与测试结果。
40.可以发现，在中心频率2.45ghz处，射频功率合并网络各端口的仿真与测试s参数均小于-20db，对应天线工作带宽内的s参数仿真和测试值均低于-12db。
41.图12提供了本发明实施例中射频功率合并网络的插入损耗和隔离度测试结果。结果表明，网络在2.45ghz处各端口间的隔离度测试值均优于25db，网络中一分四威尔金森功分器输入端口到耦合器输出端口的测试插入损耗为9.2db，一分二威尔金森功分器输入端口到耦合器输出端口的测试插入损耗为6.4db。
42.图13给出了本发明实施例采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线原理图。垂直极化天线阵列和水平极化天线阵列的各输出端口分别经过射频功率合并网络中一分
四、一分二威尔金森功分器进行合并后，再通过3db耦合器将两种不同极化的射频能量平均分配后，输入至两个相同的整流电路中。负载的电阻值为单个整流电路负载值的一半，大小为950ω。
43.图 14 展示了本发明实施例采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线实物图。双极化全向天线各单元端口的射频电缆线与射频功率合并网络的 sma 头连接后，再通过 sma 双通转接头连接至整流电路。两相同整流电路正反面的导线分别连接后再依次接到负载两端。
44.图15展示了本发明实施例采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线测试场景图。测试过程中使用射频信号发生器连接到功率放大器，通过喇叭天线进行功率发射，喇叭天线与本发明之间的距离设置为2m。将一增益已知天线放置于接收位置处，使用频谱仪测量接收到的功率可计算出接收位置处的入射电磁波功率密度。然后将本发明放置于接收位置处的转台上，控制转台便能实现入射角度的调整，通过万用表测量整流天线负载上的电压值，从而计算出获取到的直流功率。
45.图16提供了本发明实施例采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线在水平极化接收时的效率仿真与测试结果。结果表明，当接收到的电磁波功率密度为100.3μw/cm2，仿真与测试结果比较接近。在不同入射角度下，本发明仿真的整流效率均高于59%，在测试时能量转换效率可维持在61%以上；而当接收到的电磁波功率密度增加到251.9μw/cm
2 时，其仿真与测试的效率均会有所下降，此时，在各入射角度下整流效率的仿真值均大于28%，而测试的能量转换效率均高于45%。本发明实施例在水平极化接收时具有良好的稳定性，在不同功率密度、不同角度电磁波入射状态下的仿真与测试效率波动均不超过 5%。
46.图17给出了本发明实施例采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线在垂直极化接收时的效率仿真与测试结果。可以发现，当入射电磁波的功率密度为287.2μw/cm2，本发明的效率仿真与测试结果十分吻合。在水平面360
°
范围内，其整流效率仿真值均大于44%，实际测试的能量转换效率略高且均在45%以上；而在较大功率密度555.1μw/cm2的电磁波入射时，本发明在不同入射角度下的最低仿真和测试效率分别大于25%和35%。在垂直极化接收过程中，本发明的稳定性有所减弱，不同条件下的仿真效率波动小于6%，测试的效率波动则低于10%。
47.图18提供了本发明实施例采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线在水平和垂直极化均接收时的效率仿真与测试结果。结果表明，本发明在接收到功率密度为133.5μw/cm2电磁波时，在各角度下其仿真与测试的能量转换效率非常稳定，效率波动均仅为2%；能量转换效率的仿真值均大于57%，测试的整流效率均优于58%。而当入射电磁波的功率密度调整至305.7μw/cm2时，全向接收过程中仿真的能量转换效率均高于 29%，而测试的整流效率均保持在 45%以上，在不同角度处仿真和测试的效率波动均不超过 5%。
48.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线，包括电连接的天线和整流电路，其特征在于：所述天线包括正交设置的水平极化单元与垂直极化单元；所述水平极化单元包括水平极化组，所述水平极化组包括锥形巴伦(110)，所述锥形巴伦(110)的中心点为馈电点，所述锥形巴伦(110)周向均布若干扇形的辐射枝节(120)，各所述辐射枝节(120)通过渐变微带线(130)连接锥形巴伦(110)；所述垂直极化单元包括反射层(240)和平行于反射层(240)的垂直极化组，所述垂直极化组包括相连的渐变巴伦(230)和偶极子(220)，所述馈电点位于渐变巴伦(230)的中心。2.根据权利要求1所述的采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线，其特征在于：所述天线还包括第一介质基板(100)和第二介质基板(200)；所述第一介质基板(100)的两面分别设置两个水平极化组，两所述水平极化组中的锥形巴伦(110)的馈电点同轴设置；所述第二介质基板(200)包括嵌套设置的内筒介质基板(250)和外筒介质基板(210)，所述内筒介质基板(250)的外壁设置反射层(240)，所述外筒介质基板(210)的内外壁分别设置两垂直极化单元，两个所述垂直极化单元的投影中心对称设置，对称中心与两馈电点同轴设置。3.根据权利要求2所述的采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线，其特征在于：所述内筒介质基板(250)轴线方向的两端均设置第一介质基板(100)，两所述第一介质基板(100)上的馈电点同轴设置；所述第二介质基板(200)上，以内筒介质基板(250)轴线为中心，均布四组两个中心对称设置的垂直极化单元。4.根据权利要求1所述的采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线，其特征在于：所述天线和整流电路之间设置功率合并网络，所述功率合并网络包括：电连接的功分器组和耦合器；所述功分器组包括两分别连接水平极化单元和垂直极化单元的功分器，各所述功分器为一分n功分器，所述n为极化单元的数量，功分器的每个端口连接一极化单元。5.根据权利要求4所述的采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线，其特征在于：所述整流电路并联设置两组，连接耦合器。6.根据权利要求4所述的采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线，其特征在于：所述整流电路包括串接的t型结和交叉结，所述t型结和交叉结之间设置流向为t型结至交叉结的二级极管。7.根据权利要求6所述的采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线，其特征在于：所述t型结和交叉结的各个端口均串接有微带线。8.根据权利要求4所述的采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线，其特征在于：所述功分器为威尔金森功分器。9.根据权利要求2所述的采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线，其特征在于：所述辐射枝节(120)的扇形的圆心为馈电点。10.根据权利要求1所述的采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线，其特征在于：
所述反射层(240)为金属反射层。

技术总结
本发明公开了一种采用射频功率合并方案的双极化全向整流天线，所述天线包括正交设置的水平极化单元与垂直极化单元；所述水平极化单元包括水平极化组，所述水平极化组包括锥形巴伦，所述锥形巴伦的中心点为馈电点，所述锥形巴伦周向均布若干扇形的辐射枝节，各所述辐射枝节通过渐变微带线连接锥形巴伦；所述垂直极化单元包括反射层和平行于反射层的垂直极化组，所述垂直极化组包括相连的渐变巴伦和偶极子，所述馈电点位于渐变巴伦的中心。本发明设置圆周排布的全向天线阵列来接收水平极化的电磁波，设计四偶极子阵列来接收垂直极化的电磁波，使得天线能够工作在多种极化状态，具有较好的全向特性。有较好的全向特性。有较好的全向特性。


技术研发人员：孙虎成 王勇
受保护的技术使用者：南京信息工程大学
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/7/27