[发明专利]一种双频率接收天线及双频率整流天线

说明书

技术领域

    本发明属于无线电能传输领域的天线技术，具体涉及一种双频率接收天线及双频率整流天线。

背景技术

无线电能传输，即电能不通过输电线进行能量传输的技术，能够使人们摆脱电线的约束。无线充电传输方式一般可分为电磁感应式，磁场共振式，电波辐射式三种。其中，电波辐射式又称为微波输能（MPT），即电能转换成微波以辐射传输供电，适合远距离传输。1899年，“特斯拉线圈”的问世，为MPT的发展埋下了种子。近代MPT实验完成于1964年，在2.45GHz下用微波驱动直升机，极大地促进了世界各国对MPT技术的研究。1968年，美国开始了空间太阳能发电卫星(SSPS)计划。MPT在无线电能传输中起到了举足轻重的作用，具有巨大的发展前景，广泛应用于电子，医疗，军事等许多领域，受到国内外越来越多的关注。

MPT有下面三个过程：1)微波的产生； 2)微波的发射和传播；3)微波的接收和转换。在整个MPT系统中，主要装置是整流天线，它能够完成MPT的第三个过程，即接收微波并将其转换成直流电。

整流天线是由接收天线与整流电路共同组成的一种新型天线，广泛地运用于微波输能系统中，其主要由接收天线、前置滤波器、整流电路，后置滤波器以及匹配电路组成。在MPT的快速发展下，各种形式的整流天线不断提出。由于频率为2.45GHz的微波在空间传输时衰减最少，因此在最初的MPT中都是用该频率。1970年无线输电的先驱W. C. Brown 以铝条做半波偶极子和传输线，采用肖特基势垒二极管和桥式整流方式，在频率为2.45GHz时，获得了76%的整流效率。由于铝条整流天线接收功率大、质量大，为了减轻重量与节约金属材料，从20世纪80年代开始，印刷电路接收整流天线成为研究的重点。1982年， W.C. Brown展示的印刷薄膜天线，整流效率达到了85%。目前，工作在2.45GHz下的整流天线技术比较成熟，能够输出高于65%以上的直流能量。鉴于频率为2.45GHz时系统的尺寸太大，成本偏高，为了减小天线的尺寸，工作于5.8GHz和35GHz的整流天线也相继出现。Tae-Whan Yoo, Kai Chang等人对频率为35GHz的整流天线进行了详细的研究，发现工作在35GHz下的整流天线虽然可以减少天线尺寸和传输较远的距离，但是其造价昂贵，效率很低使它的应用受到了限制。然而，工作在5.8GHz下的整流天线不仅具有尺寸小的特点，并且还具有高效率传输，衰减小，造价低，更高的频率范围等优点，受到越来越多的青睐。S. S. Bharj, R. Camisa等提出了第一个工作于5.87GHz下的C波段整流天线，其转换效率可高达80%。而后，美国航空航天局就把5.8GHz作为MPT的首选频率，频率为5.8GHz的高效率整流天线也成为了研究热点。

目前，实现双频率和小型化成为了整流天线新的发展趋势。由于频率资源的紧缺现象日趋严重，双频整流天线这个新兴概念的提出，可以缓解这一问题，因此近年来得到了人们的重视。人们对双频整流天线的研究时间还不长，所取得的成果也不太多，而两个频率之间相互影响导致的低整流效率，却已经成为了制约双频率整流天线发展的一个障碍，给天线设计者带来了新的挑战。随着集成电路技术和半导体技术的发展，MPT技术在低功耗电子设备中的应用得到了广泛关注。为了得到紧凑结构的整流天线，许多带有滤波结构的新型接收天线得到了设计者的青睐。近几年，人们对这种结构形式的天线阵列进行了研究，如Fu-Jhuan Hang, Tzong-Chee Yo等人在文章“Design of circular polarization antenna with harmonic suppression for rectenna application”，设计了一个频率为2.45GHz的圆极化天线作为接收天线，此天线具有抑制谐波的作用，可以很好地抑制二次、三次谐波，起到了输入滤波器的作用，这样就可将输入滤波器结构去掉，从而减小整个整流天线的尺寸。现有的技术的整流天线主要有以下几种。