专利摘要

本发明公开了一种多极化双通道通信/整流多功能天线，属于微波输能整流天线技术领域。本发明包括多极化接收天线、整流电路和通信电路，通过引入正交混合耦合器，两个通信/整流端口实现了高隔离工作，且两个端口可向圆环辐射贴片提供输出相位差为90°，幅度相同的信号，使天线可实现圆极化工作。整流电路为低输入功率整流电路，可与任意一个端口相连接，用于微波输能；而另一个端口可接通信电路，用于接收发射通信信号。由于耦合器的高度对称性，通信/整流多功能天线可工作于多个模式，即整流天线/通信天线可单独圆极化工作或整流和通信天线可同时线极化工作。本发明可在同一频段内同时/分别整流、通信工作，并工作于不同极化模式。

权利要求

1.一种多极化双通道通信/整流多功能天线，其特征在于，包括多极化接收天线(1)、整流电路(5)和通信电路(11)；

多极化接收天线(1)包括圆环辐射贴片(2)、正交混合耦合器(3)馈电网络、第一介质基板(401)和第一金属地；圆环辐射贴片(2)和正交混合耦合器(3)馈电网络位于第一介质基板(401)的上表面，第一金属地位于第一介质基板(401)的下表面；正交混合耦合器(3)馈电网络有四个端口，分别为端口1、端口2、端口3和端口4；端口3和端口4与圆环辐射贴片(2)连接；

端口1和端口2有四种连接状态：端口1连接整流电路(5)或通信电路(11)，端口2连接50欧匹配负载，端口3和端口4输出的信号等幅，且有90°相位差；端口2连接整流电路(5)或通信电路(11)，端口1连接50欧匹配负载，端口3和端口4输出的信号等幅，且有-90°相位差；端口1连接整流电路(5)，端口2连接通信电路(11)，端口3或端口4输出信号；端口1连接通信电路(11)，端口2连接整流电路(5)，端口3或端口4输出信号；

整流电路(5)，将射频信号整流为直流信号；

通信电路(11)，用于信号的传输或发送；

正交混合耦合器(3)包括倒日字型微带枝节和四个短枝节；倒日字型微带枝节的四端分别与四个短枝节串联，形成正交混合耦合器(3)的四个端口。

2.根据权利要求1所述的多极化双通道通信/整流多功能天线，其特征在于，多极化接收天线(1)和整流电路(5)通过一对同轴转接头进行连接。

3.根据权利要求1所述的多极化双通道通信/整流多功能天线，其特征在于，第一介质基板与第二介质基板选材相同或不同。

4.根据权利要求1所述的多极化双通道通信/整流多功能天线，其特征在于，整流电路(5)包括第二介质基板(402)、第二金属地、前置电感(6)、整流二极管(7)、匹配电路(8)、旁路电容(9)和负载(10)；前置电感(6)、整流二极管(7)、匹配电路(8)、旁路电容(9)和负载(10)位于第二介质基板(402)的上表面，第二金属地位于第二介质基板(402)的下表面；前置电感(6)、整流二极管(7)、匹配电路(8)和负载(10)依次串联，旁路电容(9)并联至匹配电路(8)和负载(10)之间；整流电路中的前置电感(6)和旁路电容(9)协同工作，滤除整流二极管(7)非线性工作所引入的高次谐波，平整输出波形；整流电路中的整流二极管(7)将射频能量整流转换到直流能量；所述整流电路中的匹配电路(8)实现接收天线和整流电路之间的良好匹配，实现高效率整流转换。

说明书

技术领域

本发明属于微波输能技术领域，涉及通信整流天线，具体涉及一种多极化双通道通信/整流多功能天线。

背景技术

随着移动通信技术的快速发展，现代信息时代的人们无时无刻都在进行无线通信。这些无线移动设备在进行通信工作的同时也会持续消耗电能。通常，大量便携式的无线电子设备使用电池来提供持续的电能供应。然而，某些设备在一些特殊的情况下无法更换电池或提供持续的电能，比如：隧道机器人、植入式医疗设备等。这些无线设备不仅需要与外界保持正常信息交换工作，同时它们所携带的电池也需要定期的补充电能。因此延长电池寿命或为设备进行无线输能，是为这些设备提供持续电能的有效途径。

微波输能技术，利用微波进行无线能量传输技术，可实现能量的远距离传输。而整流天线，即天线结合整流电路为一体，它能够接收空间中的电磁波并将其转换成直流能量，是微波输能系统的重要器件之一。其中，天线是进行无线通信和微波输能必不可少的器件。如果单独设计整流天线和通信天线，将使移动设备的接收系统变得庞大、复杂。并且，天线间的耦合将会使两个天线的性能下降，影响系统性能。因此，有必要将通信天线和整流天线融为一体，即通信整流天线，将设备的通信功能和微波输能用一种天线来实现，将大大减小系统的尺寸和重量，给人们的生活和工作带来极大的方便，将成为微波输能新的发展方向。

目前通信整流天线的研究还处于起步阶段，一些公开报道的研究成果如下。R.Dehbashi,K.Forooraghi,and Z.Atlasbaf在文献“Dual-Fed Antenna for WirelessPower Transmission and Data Communication”公开了一种双端口通信整流多功能天线，结构如图1所示。此多功能天线的一个端口用于通信，另一个端口用于微波输能，且天线的两个端口都工作在同一频率2.4GHz。但是，此天线隔离度很低，两个端口无法同时良好地工作。为了减小通信和整流功能间的相互干扰，往往通信整流天线工作在不同的频率。X.Yang,C.Jiang等在文献“A Novel Compact Printed Rectenna for DataCommunication Systems.”中提出了一种双端口通信整流天线，如图2所示，包含一个高隔离的双端口接收天线，一个端口接整流电路，另一个端口用于通信。该接收天线为缝隙耦合馈电，采用两个相互垂直的H型缝隙提高了两个端口的隔离度，使整流和通信可以很好地工作。但此通信整流天线需要两个不同频率的信号，一个用于通信(6.1GHz)，另一个用于充电(5.78GHz)。若当某个环境只存在单一频率电磁信号时，此类通信整流天线将不能同时发挥通信和整流功能。并且，此天线工作极化单一，天线结构复杂。为了实现同一频率下良好地通信和输能工作，文献“A Two-Channel Frequency Reconfigurable Rectenna forMicrowave Power Transmission and Data Communication”公开了一种频率可重构的双通道通信整流天线，如图3所示。由于缺陷地结构，通信整流天线的两个端口之间具有很高的隔离度。通过控制PIN开关的状态，天线可在同一频段或不同频段内实现通信和整流工作。但是，该天线工作极化单一，且可重构枝节上的PIN二极管开关会带来额外的损耗，降低天线效率。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种多极化双通道通信/整流多功能天线。本发明中，通过引入正交混合耦合器，两个通信/整流端口实现了高隔离工作，可分别或同时接整流或通信电路。并且，由于正交混合耦合器具有高度的对称性，两个端口可向圆环辐射贴片提供输出相位差为90°，幅度相同的信号，使天线可实现左右圆极化工作，或只有一个端口向辐射贴片提供信号，使天线实现线极化工作。所以，本发明提出的多极化双端口通信整流天线具有两种模式，即通信模式和整流模式，可以同时工作在线极化，也可分别工作在圆极化。并且，该天线在不同的工作状态中两种模式之间都具有很高的隔离度。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：

一种多极化双通道通信/整流多功能天线，包括多极化接收天线1、整流电路5和通信电路11；

多极化接收天线1包括圆环辐射贴片2、正交混合耦合器3馈电网络、第一介质基板401和第一金属地；圆环辐射贴片2和正交混合耦合器3馈电网络位于第一介质基板401的上表面，第一金属地位于第一介质基板401的下表面；正交混合耦合器3馈电网络有四个端口，分别为端口1、端口2、端口3和端口4；端口3和端口4与圆环辐射贴片2连接。

端口1和端口2有四种连接状态：端口1连接整流电路5或通信电路11，端口2连接50欧匹配负载，端口3和端口4输出的信号等幅，且有90°相位差；端口2连接整流电路5或通信电路11，端口1连接50欧匹配负载，端口3和端口4输出的信号等幅，且有-90°相位差；端口1连接整流电路5，端口2连接通信电路11，只有一个端口(端口3或端口4)输出信号；端口1连接通信电路11，端口2连接整流电路5，只有一个端口(端口3或端口4)输出信号；当端口1和端口2同时接整流电路5和通信电路11时，根据线极化的方向，决定端口由端口3或端口4输出；

整流电路5将射频信号整流为直流信号；。

通信电路11由微带电路、集成电路形式等组成的滤波器，低噪声放大器，混频器解调器或调制器共同构成，用于信号的传输或发送。

多极化接收天线1和整流电路5通过一对同轴转接头进行连接，第一介质基板与第二介质基板选材相同或不同。

正交混合耦合器3可以是任意对称微带结构；

更具体的，正交混合耦合器3包括倒日字型微带枝节和四个短枝节；倒日字型微带枝节的四端分别与四个短枝节串联，形成正交混合耦合器3的四个端口。

整流电路5可以是低功率整流电路拓扑结构或高功率整流电路拓扑结构；

更具体的，整流电路5包括第二介质基板402、第二金属地、前置电感6、整流二极管7、匹配电路8、旁路电容9和负载10；前置电感6、整流二极管7、匹配电路8、旁路电容9和负载10位于第二介质基板402的上表面，第二金属地位于第二介质基板402的下表面；前置电感6、整流二极管7、匹配电路8和负载10依次串联，旁路电容9并联至匹配电路8和负载10之间；整流电路中的前置电感6和旁路电容9协同工作，滤除整流二极管7非线性工作所引入的高次谐波，平整输出波形；整流电路中的整流二极管7将射频能量整流转换到直流能量；所述整流电路中的匹配电路8实现接收天线和整流电路之间的良好匹配，实现高效率整流转换。

本发明中，倒日型分支线正交混合耦合器3有四个端口，分别为端口1、端口2、端口3和端口4。所有端口都是匹配的，从端口1输入的功率对等地分配给端口3和端口4，且端口3和端口4作为输出端口之间有90°相移，为圆环辐射天线提供等幅和±90°相位差，从而使圆环天线实现右左圆极化；并且，当端口1馈入能量时，没有功率耦合到端口2，实现两个输入端口之间的高隔离。

分支线正交混合耦合器3有高度的对称性，任意端口(端口1，端口2，端口3和端口4)都可作为输入端口，端口1和端口2有四种连接状态。端口1连接整流电路5或通信电路11，端口2连接匹配负载，此时端口3和端口4作为输出端口为圆环辐射天线提供等幅和90°相移的信号，此时通信/整流多功能天线工作到右圆极化；同样，端口2连接整流电路5或通信电路11，端口1连接匹配负载，此时端口3和端口4作为输出端口为圆环辐射天线提供等幅和-90°相移的信号，此时通信/整流多功能天线工作到左圆极化。端口1连接整流电路5，端口2连接通信电路11，或者端口1连接通信电路11，端口2连接整流电路5，此时只有一个端口(端口3或端口4)输出信号，此时通信/整流多功能天线实现线极化工作模式。然而，端口3或端口4输出信号，取决于接收线极化方向。

本发明的有益效果是：

本发明所述天线采用引入正交混合耦合器，利用分支线正交混合耦合器的高度对称性，接收天线可以实现多种极化模式工作：圆极化和线极化。同时，在多极化双通道通信/整流多功能天线中，通信电路和整流电路可与任一端口连接，分别或同时用于微波输能和通信信号传输。由于耦合器的高隔离度，通信/整流多功能天线可单独圆极化工作，或同时实现线极化工作。本发明所述天线具有多功能、多极化，多模式的特点，应用范围更广泛。

附图说明

图1为背景技术一中的应用于通信系统中的双端口整流天线结构图，其中，(a)双端口接收天线，(b)整流电路结构示意图；

图2为背景技术二中的应用于通信系统中的双端口整流天线结构图，其中，(a)双端口高隔离接收天线结构图，(b)整流电路结构示意图；

图3为背景技术中三可重构的双通道通信整流天线结构示意图，其中，(a)双端口频率可重构偶极子天线结构示意图，(b)整流电路结构示意图；

图4为本发明所述多极化双通道通信/整流多功能天线的结构示意图；

图5为实施例正交混合耦合器端口S参数曲线图和相位曲线，其中，(a)S参数幅度；(b)S参数相位；

图6为实施例所述多极化双通道通信/整流多功能天线的S参数和轴比曲线图，其中，(a)状态1：一个端口连接通信或整流电路；(b)状态2：两个端口同时连接通信和整流电路；

图7为实施例整流电路在工作频率5.8GHz下的整流转换效率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

本实施例提供一种多极化双通道通信/整流多功能天线，包括多极化接收天线1、整流电路5和通信电路11；

多极化接收天线1包括圆环辐射贴片2、正交混合耦合器3馈电网络、第一介质基板401和第一金属地；圆环辐射贴片2和正交混合耦合器3馈电网络位于第一介质基板401的上表面，第一金属地位于第一介质基板401的下表面；正交混合耦合器3包括倒日字型微带枝节和四个短枝节；倒日字型微带枝节的四端分别与四个短枝节串联，形成正交混合耦合器3的四个端口，分别为端口1、端口2、端口3和端口4；端口3和端口4与圆环辐射贴片2连接；

端口1和端口2有四种连接状态：端口1连接整流电路5或通信电路11，端口2连接50欧匹配负载，端口3和端口4输出的信号等幅，且有90°相位差；端口2连接整流电路5或通信电路11，端口1连接50欧匹配负载，端口3和端口4输出的信号等幅，且有-90°相位差；端口1连接整流电路5，端口2连接通信电路11，只有一个端口(端口3或端口4)输出信号；端口1连接通信电路11，端口2连接整流电路5，只有一个端口(端口3或端口4)输出信号；当端口1和端口2同时接整流电路5和通信电路11时，根据线极化的方向，决定端口由端口3或端口4输出。

整流电路5将射频信号整流为直流信号；整流电路5包括第二介质基板402、第二金属地、前置电感6、整流二极管7、匹配电路8、旁路电容9和负载10；前置电感6、整流二极管7、匹配电路8、旁路电容9和负载10位于第二介质基板402的上表面，第二金属地位于第二介质基板402的下表面；前置电感6、整流二极管7、匹配电路8和负载10依次串联，旁路电容9并联至匹配电路8和负载10之间；整流电路中的前置电感6和旁路电容9协同工作，滤除整流二极管7非线性工作所引入的高次谐波，平整输出波形；整流电路中的整流二极管7将射频能量整流转换到直流能量；所述整流电路中的匹配电路8实现接收天线和整流电路之间的良好匹配，实现高效率整流转换；

通信电路11由微带电路、集成电路形式等组成的滤波器，低噪声放大器，混频器解调器或调制器共同构成，用于信号的传输或发送。

多极化接收天线1和整流电路5通过转接头进行连接，第一介质基板与第二介质基板选材相同或不同。

本实施例所述天线的具体尺寸为：r1＝12.5mm,l1＝56.2mm,l2＝23.4mm,l3＝12.4mm,l4＝7.8mm。

本实施例中，多极化接收天线由倒日字型的正交混合耦合器馈电。倒日字型的正交混合耦合器馈电有四个端口，其中两个端口(端口3和端口4)连接圆环辐射贴片，另外两个端口(端口1和端口2)分别通过50Ohm转接头与整流电路和通信电路连接，用于输能和通信。该正交混合耦合器端口1与其他端口的S参数，如图5所示，可见，在5.5GHz～6.2GHz频段内S11＝-38.4dB，S13＝-3.3dB,S14＝-3.3dB@5.8GHz，且S13和S14的相位相差90°@5.8GHz，表明端口1的电磁波可以很好地通过端口1，等幅地传输到端口3和端口4中，且相位相差90°，将馈入圆环贴片中。S12＝-34.21@5.8GHz，表明端口1和端口2之间具有较高地隔离。由于正交混合耦合器具有高度的对称性，输入、输出信号过程可逆。同理，可类推到其他端口。

由于正交混合耦合器具有高度的对称性，端口1和端口2有四种连接状态，使天线在5.5GHz～6.2GHz频段内可以分别工作在两种不同的极化，而将这两种工作极化对应的状态称为状态1和状态2。

状态1：端口1连接整流电路5或通信电路11，端口2连接50欧匹配负载，或者，端口2连接整流电路5或通信电路11，端口1连接50欧匹配负载；此时，正交混合耦合器的端口3和端口4输出等幅，相位相差+(-)90°的信号，此时天线在5.7～5.9GHz实现右(左)圆极化工作。此天线在状态1的S参数和轴比如图6(a)所示，可以看到，端口1或2接收信号时天线的公共频段是5.7～5.9GHz，实现圆极化工作(轴比AR<3)，且两个端口1和2具有高隔离度(S12<-15dB)。由于正交混合耦合器具有高度的对称性，可以发现，端口1和端口2的S参数基本重合。在此频段，该通信整流天线能够进行通信或输能，且接收天线接收到的射频能量全部输入到整流电路中。

状态2：端口1连接整流电路5，端口2连接通信电路11，或者，端口1连接通信电路11，端口2连接整流电路5；此时，正交混合耦合器的一个端口(端口3或端口4)输出信号到圆环贴片天线中去，此时天线同样在5.7～5.9GHz实现线极化工作。此天线在状态1的S参数和轴比如图6(b)所示，可以看到，端口1和端口2接收信号时天线的公共频段是5.7～5.9GHz，两个端口实现线极化工作(轴比AR>3)，且两个端口1和2具有高隔离度(S12<-15dB)。在此频段，该通信整流天线能够同时进行通信和输能，且接收天线接收到的射频能量1:1的均分到整流电路和通信电路中。

对于本实施例中的多极化双通道通信/整流多功能天线，采用HFSS和ADS进行了联合仿真。根据端口1和2的连接状态，接收天线可接收自由空间中不同极化的电磁波，并将接收到的电磁波分别传送到通信端口(端口1(2))和整流端口(端口2(1))。进入端口2(1)的电磁波将经由同轴接头馈入到后端的低功率整流电路中，经过前置电感、整流二极管后转换成直流，再经过旁路电容进行滤波整形，最后输出到负载端。由于接收天线在两种状态下的工作频率都在5.7～5.9GHz频段，因此，设计的低功率整流电路也工作在5.7～5.9GHz频段。此低功率整流电路在输入功率在-5～5dBm范围内，频率为5.8GHz的整流转换效率曲线，如图7所示。可以看到，在频率为5.8GHz、输入功率为4dBm时，整流电路能达到最高转换效率为51.3％，此时所接的负载为100Ohm。

通过采用正交混合耦合器馈电，通信整流天线可实现多极化模式，即圆极化、线极化模式。由于正交混合耦合器具有高度的对称性，本实施例中的双通道通信/整流多功能天线具有灵活，结构简单的优点，并且具有多功能、多极化，多模式特性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式。本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

一种多极化双通道通信/整流多功能天线专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。