一種頻率可重構(gòu)的雙通道通信整流天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微波輸能領(lǐng)域，涉及通信整流天線，具體為一種頻率可重構(gòu)的雙通道 通信整流天線。
【背景技術(shù)】
[0002] 微波輸能技術(shù)，即電能不通過輸電線傳輸，而是利用微波進行無線傳輸?shù)募夹g(shù)?，F(xiàn) 代人的日常生活和工作，越來越離不開無線通信，人們希望能夠隨時隨地進行通信，但無線 設(shè)備的正常使用離不開持續(xù)的電能供應(yīng)。大量便攜式的無線電子設(shè)備，給人們的生活和工 作帶來了極大的方便，但是持續(xù)的電力供應(yīng)在某些情形下也無法得到滿足。比如，植入式醫(yī) 療設(shè)備能夠給患者帶來極大的方便，這些醫(yī)療設(shè)備需要與外界進行信息交換，需要有通信 功能，同時它們所攜帶的電池也需要補充能量。如果能夠?qū)⒃O(shè)備的通信功能和能量供應(yīng)功 能用一種器件來實現(xiàn)，將能夠大大減小器件的尺寸和重量，給人們的生活和工作帶來極大 的方便。
[0003] 天線是進行無線通信和進行微波無線能量傳輸必不可少的器件;將天線和整流電 路結(jié)合在一起，就構(gòu)成整流天線，它能夠接收電磁波并將其轉(zhuǎn)換成直流電，因此是微波輸能 系統(tǒng)的重要器件。若系統(tǒng)中分別設(shè)計獨立的整流天線和通信天線，則會增加整個系統(tǒng)的體 積和復(fù)雜性，增加系統(tǒng)成本;并且，無線設(shè)備尺寸有限，整流天線和通信天線的距離很近，將 會產(chǎn)生強烈的互耦，從而影響系統(tǒng)性能。因此，有必要將通信天線和整流天線作為一個整體 來進行研究;若將二者融為一體，研究同時具有通信和整流功能的天線，將成為整流天線新 的發(fā)展方向。
[0004] 目前通信整流天線的研究還處于起步階段，僅有少量公開報道的研究成果。目前 公開報道的通信整流天線可分為兩種，一種是單端口天線，另一種是雙端口天線。單端口天 線通常只能作為一種天線使用，即或者作為通信天線，或者作為整流天線。雙端口天線有兩 個端口，一個端口作為通信天線端口，另一個端口作為整流天線端口。
[0005] 單端口 通信整流天線，如文獻(xiàn)："A New Circularly Polarized Rectenna for Wireless Power Transmission and Data Communication ·''（Μ· A1 i，G · Yang，and R.Dougal, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters ,vol.4,pp.205-208, 2005.)中公開一種用于通信系統(tǒng)中的圓極化整流天線，如圖1所示;此整流天線的接收天線 為單端口圓極化接收天線，如圖1(b);接收天線通過兩個交叉的矩形槽實現(xiàn)寬帶圓極化性 能，此寬帶圓極化接收天線后面可接有一普通的整流電路，完成了射頻能量到直流能量的 轉(zhuǎn)換，此整流天線可作為通信系統(tǒng)中的WLAN天線，工作頻段為5.15GHZ-5.35GHz，也可作為 5.5GHz的整流天線，當(dāng)入射功率密度為2.55mW/cm 2，整流天線最大的整流效率為57.3% ;但 此通信整流天線只有一個輸出端口，即一個通道，使其只能在一種模式工作，即，或者工作 于通信模式，或者工作于整流模式，且兩種模式的工作頻率也不相同。
[0006] 雙端口通信整流天線，如文獻(xiàn)："A Novel Compact Printed Rectenna for Data Communication Systems .，! (X. Yang , C. Jiang , and et. al. , IEEE Transactions on Antennas and Propagation，，vol ·61，no· 5，pp· 2532-2539，2013·)中公開一種雙端口通信 整流天線，如圖2所示，包含一個高隔離的雙端口接收天線和一個普通整流電路，接收天線 為雙端口天線，一個端口接整流電路，另一個端口用于通信;該接收天線為縫隙耦合饋電， 兩個相互垂直的Η型縫隙提高了兩個端口的隔離度，使兩個端口相互不受到影響，整流和通 信可以很好地工作;但該通信整流天線的整流模式和通信模式仍然工作在不同的頻段，且 天線工作頻帶窄、天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
[0007] 另一種雙端口通信整流天線，通信模式和整流模式的工作頻率相同。如文獻(xiàn)： "Dual-Fed Antenna for Wireless Power Transmission and Data Communication," (R.Dehbashi,K.Forooraghi,and Z.Atlasbaf, IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium,pp·2201-2204,2006·)中公開一種雙端口多功能天線，如圖3所 示，該天線一個端口用于通信，另一個端口用于微波輸能，且兩個端口接收信號時，天線都 工作在2.4GHz;但該天線工作頻帶較窄，同時，兩個端口工作時，兩通道之間的隔離度很低， 僅有1.5dB，使得兩端口仍然無法同時良好地工作。
[0008] 本發(fā)明針對現(xiàn)有通信整流天線的不足，提出一種頻率可重構(gòu)的雙通道通信整流天 線。通過開關(guān)進行天線工作狀態(tài)的重構(gòu)，使該通信整流天線的兩種模式，即通信模式和整流 模式，可以同時工作在同一個頻段，也可同時工作在不同頻段。并且，該天線在不同的工作 狀態(tài)中兩種模式之間都具有很高的隔離度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明針對現(xiàn)有通信整流天線的不足，將可重構(gòu)技術(shù)應(yīng)用到通信整流天線中，提 出一種頻率可重構(gòu)的雙通道通信整流天線。通過開關(guān)的切換，實現(xiàn)天線的頻率重構(gòu)，使得該 通信整流天線能夠適應(yīng)多種環(huán)境，從而大大提高系統(tǒng)性能。
[0010] 為達(dá)到上述目標(biāo)，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0011] -種頻率可重構(gòu)的雙通道通信整流天線，包括一個雙端口頻率可重構(gòu)偶極子天線 和一個整流電路;雙端口頻率可重構(gòu)偶極子天線由基板、分別位于基板正反面的正面結(jié)構(gòu) 和背面結(jié)構(gòu)構(gòu)成;所述背面結(jié)構(gòu)包括第三金屬臂、寬帶巴倫結(jié)構(gòu)及地板，其中第三金屬臂通 過寬帶巴倫結(jié)構(gòu)與地板連接，對應(yīng)于寬帶巴倫結(jié)構(gòu)，在地板上設(shè)置有缺陷地結(jié)構(gòu)(DGS);所 述正面結(jié)構(gòu)包括第一、第二金屬臂及饋電網(wǎng)絡(luò)，第一、第二金屬臂連接饋電網(wǎng)絡(luò)，饋電網(wǎng)絡(luò) 由饋電枝節(jié)、可重構(gòu)枝節(jié)及偏置電路構(gòu)成，其中饋電枝節(jié)連接端口 1、可重構(gòu)枝節(jié)連接端口 2,所述饋電枝節(jié)上設(shè)置第一隔直電容，所述可重構(gòu)枝節(jié)上設(shè)置可調(diào)器件，偏置電路正極端 連接于可調(diào)器件與端口 2之間，偏置電路負(fù)極端連接第二金屬臂并與地板相連;可重構(gòu)枝節(jié) 上偏置電路正極端與端口 2之間還設(shè)置有第二隔直電容;所述第一、第二金屬臂與第三金屬 臂對應(yīng)設(shè)置，共同構(gòu)成可重構(gòu)偶極子天線;所述的整流電路連接于雙端口頻率可重構(gòu)偶極 子天線任一端口。
[0012] 進一步的，所述可調(diào)器件優(yōu)選采用PIN二極管開關(guān)、FET三極管開關(guān)、MEMS開關(guān)或光 控開關(guān)，但并不限于上述開關(guān)。
[0013] 所述整流電路由依次連接的前置電感、整流二極管、匹配電路和旁路電容構(gòu)成。
[0014] 所述偏置電路由高阻線和偏置電容構(gòu)成，所述連接正、負(fù)極端的高阻線長度為 4 η為大于或等于0的整數(shù)，λ為工作波長。
[0015] 需要說明的是:本發(fā)明設(shè)計的雙端口頻率可重構(gòu)偶極子天線和整流電路通過轉(zhuǎn)接 頭進行連接，偶極子天線的介質(zhì)基板與整流電路的介質(zhì)基板可以選擇相同或不同的材料。 本發(fā)明中，饋電枝節(jié)上設(shè)置的第一隔直電容不僅阻斷了直流偏壓對饋電枝節(jié)及其后續(xù)電路 的影響，而且在一定的程度上提升了偶極子饋電枝節(jié)的性能?？芍貥?gòu)枝節(jié)上設(shè)置了可調(diào)器 件和第二隔直電容;通過調(diào)節(jié)可調(diào)器件的狀態(tài)，調(diào)節(jié)偶極子天線的工作狀態(tài)，使整流天線能 夠在不同模式同時進行整流和通信工作;而第二隔直電容位于偏置電路與端口2之間，不僅 避免了直流偏壓影響通信系統(tǒng)或整流電路的直流輸出，還能確保直流能夠通過可調(diào)器件， 使可調(diào)器件正常工作。整流天線中為減小直流偏置對射頻信號的影響，設(shè)置了高阻線，它對 射頻信號呈現(xiàn)出極高的阻抗，且長度為η是大于或等于〇的整數(shù)，λ為工作波長，直 4 流端接地，射頻端等效為開路，因此降低了直流偏置信號對射頻信號的影響。偏置電容5和 第一、第二隔直電容與高阻線相互配合，大大降低了射頻電路與直流偏置電路的相互影響， 使得直流正極能量通過連接正極的高阻線13,可重構(gòu)枝節(jié)，第二金屬臂，連接負(fù)極的高阻線 14及過孔接地，形成直流回路。類三角形的寬帶巴倫結(jié)構(gòu)有效展寬了可重構(gòu)偶極子天線的 工作帶寬;地板上的L型槽4為缺陷地結(jié)構(gòu)(DGS )，它大大提高了兩個端口的隔離度。
[0016] 本發(fā)明采用可重構(gòu)技術(shù)設(shè)計的雙通道通信整流天線，天線具有兩個端口，從而使 天線同時具有通信通道和整流通道，天線的通信模式和整流天線的整流模式可以同時工 作，互不影響。通過在雙端口天線的可重構(gòu)枝節(jié)上設(shè)置可調(diào)器件，使該天線具有兩種工作狀 態(tài):一種狀態(tài)，天線的兩個通道都工作在一個相同的頻段;而另一種狀態(tài)，兩個通道分別工 作在不同的頻段。此外，天線的兩個端口均可以連接通信電路或整流電路，即天線的兩個通 道均可以作為通信通道或整流通道，且兩個通道可以同時工作而