一种基于场赋形可视化的微波整流平面阵列

1.本发明涉及无线能量传输、电磁场赋形领域中的微带天线阵列以及微波整流电路，具体是一种面向微波输能、电磁场观测的小型化微波整流平面阵列。


背景技术：

2.伴随着电磁理论技术的高速发展，其已应用在生活中的方方面面，如何控制电磁场在空间中的分布已经成为了电磁理论技术的重要研究。早期的电磁场调控主要作用在远场区，但是随着其在肿瘤消融、近场扫描、信能同传、近场无线输能等领域的应用，需要在规定的范围内对电磁场进行实现任意形状、任意距离的精准赋形，所以需要进一步对电磁场的赋形技术及方法进行深入研究。电磁赋形技术的研究离不开场赋形效果的验证，目前在电磁场赋形调控实验中，场赋形的效果往往是通过探针或天线在空间中的移动，并接矢网或者功率计进行观测得到，这种方法比较复杂且不够直观。采用小型化整流天线平面阵列能够像显示屏一样，直接将空间中赋形场的电磁场强度以及形状通过led灯的亮度情况直观的、简便的显示在平面天线阵表面。
3.传统的微带天线尺寸较大，微带天线的尺寸越大则单位面积平面天线阵所包含的天线单元数则越少，同样对电磁场赋形的显示效果就越差，因此需要小型化的微带天线单元。传统的微带天线在2.45ghz的谐振频率下，采用fr-4材料作为介质基板，其尺寸为28mm
×
37.26mm，此尺寸较大不能满足对场赋形效果观测的需求，因此需要更加小型化的微带天线。
4.同时目前使用的微波整流电路大多为微带线分布式匹配方案电路，其尺寸较大，无法进行小型化设计，例如申请号cn108321514a的发明专利，利用低通滤波器减小了工作于2.45ghz整流电路的长度，进而缩小了尺寸，但其尺寸依旧难以满足小型化整流平面天线阵列的需要。又例如申请号为cn202010410977.6的发明专利，公开了一种基于采用分支线耦合器的高效整流电路，利用分支线耦合器的紧凑设计对电路实现了小型化处理，但该结构在5.8ghz下的设计尺寸为25.6mm
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56.6mm，根据频率于尺寸成反比的原理，在2.45ghz下该整流电路的尺寸更大，因而不能满足小型化整流天线阵的使用要求。
5.因此需要设计一种工作于较高频率下的小型化的微带天线以及微波整流电路组成小型化整流平面阵列是极其有必要的。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术在较高微波频段实现微带天线小型化和整流电路小型化问题上的难点与不足，本发明结合微带天线采用高介电常数介质基板、短路加载、曲流技术等微带天线小型化方法，提出了一种小型化微带天线阵列。结合集总参数匹配、微波频段寄生效应研究等方法，提出了一种基于集总参数匹配实现的小尺寸整流电路。本天线阵工作功率范围为4dbm-15dbm的小功率范围，当天线阵单元接收功率为4dbm时，led灯开始发光，其光强度为2000mcd，并在4dbm-12dbm逐渐变亮，在12dbm时达到最亮，其光强度为3000mcd。在功
率超过15dbm时二极管由于超过反向截止电压而被击穿，从而熄灭，光强度(单位cd)和输入功率(单位dbm)关系式为
[0007][0008]
本发明采用tp-2材料进行微带天线的设计，并且在辐射贴片上进行短路加载和矩形开槽，实现了微带天线的小型化设计。选用高质量村田电容、电感进行整流电路设计，利用集总参数替代分布式微带枝节进行阻抗匹配，实现整流电路的小型化。
[0009]
为了实现上述目的，本发明的具体技术方案是：
[0010]
一种通过微带天线小型化技术实现的小型化4
×
4平面整流天线整列，其示意图如附图1所示。其特征在于，包含上层辐射贴片结构001、中间介质基板002和底层电路结构003，所述上层辐射贴片结构001和底层电路结构003分别印制在中间介质基板的上、下表面。
[0011]
所述上层辐射贴片结构包括16个微带天线单元的辐射贴片，每个单元均采用了高介电常数材料tp-2作为介质基板，由公式：
[0012][0013]
其中，c是电磁波/光在真空中的速度，l是矩形辐射贴片的长度，为微带天线介质基板相对介电常数。可以看出介电常数和谐振频率程反比，因此越高的介电常数则由越低的谐振频率，从而越有利于天线尺寸的减小。由微带天线带宽计算公式：
[0014][0015][0016]
其中，r
t
为总损耗电阻，rr为辐射电阻，其中，εe和带宽成反比反比，因此高介电常数会减小带宽，但赋形场显示仅考虑点频的情况，因此可忽视此因素。
[0017]
辐射贴片上加载了三根短路针并且开了矩形槽缝。所述短路针加载，能够在辐射贴片中央建立一个电场零点，从而使二分之波长辐射振子转变为四分之波长辐射振子，从而减小天线尺寸。所述矩形开槽能够增长辐射贴片上电流的流动路径从而增加辐射贴片的等效长度从而使天线的谐振频率下降，达到减小天线实际尺寸的效果，并且led灯通过圆孔，放置在此平面上用于显示电磁场强度提出的单元辐射贴片示意图如图4所示。
[0018]
所述底层电路结构包括输入滤波结构、阻抗匹配结构、输出直通滤波结构，整流二极管以及负载电阻和led。led并联在负载电阻上，并且通过导线置于微带天线阵正面。提出的整流电路的结构图如附图5所示
[0019]
所述阻抗匹配结构，是由电感l1和电容c1共同组成的l形匹配结构，以实现天线输出端与整流二极管输入端阻抗的匹配，由整流电路整流效率公式：
[0020][0021]
p
loss
＝l
on，rs
+l
on，cj
+l
off，rs
+l
off，cj
[0022]
耗散功率中包含了由于阻抗失配导致的回波损耗和二极管中等效串联电阻和等效电容以及集总参数元件导致的损耗，因此减少回波损耗，进而提高整流效率。
[0023]
所述输出直流滤波结构，由并联电容c2组成，并联电容c2仅允许直流导通向led负载，阻止交流导通从而限制其在整流电路回路中，因此这部分交流能量可被整流二极管反复利用，从而提高了整流效率。
[0024]
所述整流二极管，选用开关速度较快的肖特基二极管，通过参数提取方法得到二极管实际参数从而提高仿真准确性，进而提高整流电路的效率。针对不同的使用场景，可以选用不同型号的肖特基二极管，二极管均可通过参数提取方法提升整流电路的效率。
[0025]
与现有技术相比，本发明的优点有：
[0026]
1、采用天线小型化技术，减小微带天线尺寸，从而使赋形场显示效果更好。传统采用fr-4为介质基板且工作在2.45ghz的微带天线，其辐射贴片的尺寸为28mm
×
37.26mm，本发明单元微带天线辐射贴片尺寸仅为12.3mm
×
13.8mm，尺寸减小了83.73％。
[0027]
2、采用集总元件代替微带线组成整流电路，实现微波整流电路小型化。传统微带线微波整流电路在2.45ghz工作频率下的尺寸一般大于30cm2，对比本发明集总参数整流电路面积仅为0.4cm2左右，缩减了近75倍，仅为30cm2的1.4％，不仅显著缩减了微波整流电路的尺寸，还降低了整流电路对于天线阵性能参数的影响。
附图说明
[0028]
为了更加清楚介绍本发明的方案，以下为本发明的附图。
[0029]
图1为实施例微波整流平面阵列结构示意图。
[0030]
图2为实施例微波整流平面阵列单元在不同频率下的回波损耗仿真和实测结果。
[0031]
图3为实施例微波整流平面阵列单元在不同频率下的传输系数仿真和实测结果。
[0032]
图4为实施例微波整流平面阵列单元辐射贴片示意图。
[0033]
图5为实施例微波整流电路的电路结构图。
[0034]
图6为实施例微波整流电路的电路原理图。
[0035]
图7为实施例微波整流电路的整流效率随输入功率变化的仿真和实测结果。
具体实施方式
[0036]
为了能够更加清楚的表述本发明的技术方案，下面将以附图和实施例结合的形式对本发明的技术方案进行进一步的说明。
[0037]
具体实施案例如下：
[0038]
一种工作于2.45ghz的可视化整流平面天线阵列，其整体结构示意图如图1所示，该电路包含上层辐射贴片结构001、中间介质基板002和底层电路结构003，所述上层辐射贴片结构001和底层电路结构003分别在介质基板的两个表面上。所述介质基板材料型号为tp-2,厚度为1mm，天线阵尺寸为120mm
×
120mm。
[0039]
图4所述上层辐射贴片结构的单元辐射贴片，该辐射贴片上加载了三根短路针，并
且开了8mm
×
1.5cmm尺寸的矩形槽，led灯通过打孔延伸到单元正面，单元辐射贴片尺寸为12.3mm
×
13.8mm。
[0040]
图5是所述底层整流电路结构的整体结构，该整流电路由电容、电阻、电感、整流二极管和微带线构成。其中，微带线仅作为焊盘，并不影响整流电路的性能参数。该电路整体尺寸为10mm
×
4mm。
[0041]
如图6所示，所述集总参数整流电路包括用于阻抗变换的电感元件l1和电容元件c1,用于输出滤波的电容元件c2，肖特基整流二极管，以及负载r1和led。
[0042]
本实施例中，电容元件、电感元件均选用村田高q值0402封装的贴片射频元件，所述负载r1阻值为1000ω，所述整流二极管选用肖特基二极管hsms-2862。电容值c1＝0.4pf，电容值c2＝100pf，电感值l1＝5.6nh。
[0043]
本发明基于赋形场可视化整流平面阵列的工作方式为：整流平面天线阵中微带天线单元接收到赋形场中电磁波并通过馈电口输入到整流电路端口，然后由串联电感l1和并联电容c1构成的l形阻抗匹配结构将整流电路输入阻抗匹配至50欧姆与天线阵单元输出阻抗相匹配，从而使微波能量能够流入整流电路。整流二极管hsms-2862构成的串联整流拓扑结构，用于将射频能量转换为直流能量供负载和led使用。最后并联电容c2进行输出能量滤波，将直流传导到负载r1和led，同时将射频能量限制在整流电路中反复利用。负载r1上并联led二极管，则可以通过led的亮度判断该区域的赋形场情况。
[0044]
图2为微带天线单元的仿真和实测s11参数，可以看出在2.45ghz谐振频率下，仿真和实测的s11《-10db，表明该天线能够将绝大多数能量辐射到空间中，损耗较小。
[0045]
图3为微带天线单元间的仿真和实测传输系数，可以看出在2.45ghz频率下，仿真和实测的s21《-10db，s51《-10db，其中s21为左右相邻单元间的传输系数，s51为单元上下相邻单元间的传输系数，由此表明该天线阵单元间耦合较小，不会出现互相点亮led灯的情况。
[0046]
图7是所述整流电路的整流效率随输入功率变化的仿真和实测结果。可以看到仿真和实测的峰值效率分别达到64.8％(pin＝10dbm)和58％(pin＝13dbm)以上。
[0047]
以上所表述的是本发明较优的实施例，是为了更好的介绍本发明的技术原理，不是仅局限于此实施例，因此任何本领域的专业技术人员，在本发明技术方案范围内，对技术内容做各种形式的更改和同等替换，或者简单的更改、替换、修饰以上实施例都属于本发明的范围且需要被认定为本发明的权利保护范围。

技术特征：
1.一种基于场赋形可视化的微波整流平面阵列，其特征在于：通过微带天线小型化技术实现的小型化4
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4平面整流天线整列。其特征在于，包含上层辐射贴片结构、中间介质基板和底层电路结构，所述上层辐射贴片结构和底层电路结构分别印制在中间介质基板的上、下表面。所述上层辐射贴片结构包括16个微带天线单元的辐射贴片，每个单元辐射贴片上加载了三根短路针并且开了矩形槽缝。所述短路针加载，能够在辐射贴片中央建立一个电场零点，从而使二分之波长辐射振子转变为四分之波长辐射振子，从而减小天线尺寸。所述矩形开槽能够增长辐射贴片上电流的流动路径从而增加辐射贴片的等效长度达到减小天线尺寸的效果。所述上层电路结构包括输入滤波结构、阻抗匹配结构、输出直通滤波结构，整流二极管以及负载电阻和led。所述阻抗匹配结构，是由电感l1和电容c1共同组成的l形匹配结构，以实现天线输出端与整流二极管输入端阻抗的匹配，从而减少回波损耗，进而提高整流效率。所述输出直流滤波结构，由并联电容c2组成，并联电容c2仅允许直流导通向led负载，阻止交流导通从而限制其在整流电路回路中，因此这部分交流能量可被整流二极管反复利用，从而提高了整流效率。所述整流二极管，选用开关速度较快的肖特基二极管，通过参数提取方法得到二极管实际参数从而提高仿真准确性，进而提高整流电路的效率。针对不同的使用场景，可以选用不同型号的肖特基二极管，二极管均可通过参数提取方法提升整流电路的效率。2.根据权利要求1所述微带天线小型化方法，其特征在于，采用三种小型化方法叠加的方式将天线尺寸缩小，包含采用高介电常数材料作为介质基板、短路针加载技术和辐射贴片曲流技术。3.根据权利要求1所述集总参数整流电路，其特征在于采用集总参数元件代替微带线进行阻抗匹配和滤波。

技术总结
本发明公开了一种基于场赋形可视化的微波整流平面阵列，其工作方式为：整流平面天线阵中微带天线单元接收到赋形场中电磁波并通过馈电口输入到整流电路端口，然后由串联电感L1和并联电容C1构成的L形阻抗匹配结构将整流电路输入阻抗匹配至50欧姆与天线阵单元输出阻抗相匹配，从而使微波能量能够流入整流电路。整流二极管HSMS-2862构成的串联整流拓扑结构，用于将射频能量转换为直流能量供负载和LED使用。最后并联电容C2进行输出能量滤波，将直流传导到负载R1和LED，同时将射频能量限制在整流电路中反复利用。此发明可以通过LED的亮度判断该区域的赋形场情况。亮度判断该区域的赋形场情况。亮度判断该区域的赋形场情况。


技术研发人员：翟浩 赵德双 冯纪航
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/8/1