一种2.4G微波无线单相交交变换电路

一种2.4g微波无线单相交交变换电路
技术领域
1.本发明属于微波无线输电技术领域，具体涉及一种2.4g微波无线单相交交变换电路。


背景技术：

2.现如今，用电设备除了直流用电设备外，也还有交流用电设备。另外，现如今的远距离高压输电也都是以交流输电为主，因此生活中的用电器也都是以交流供电为主。除此之外，现今大部分电能传输方式脱离不掉电缆。使用电缆传输电能确实稳定，但是在极端环境下，搭建高压电线路的成本极高，且不可控因素极多。因此，无线输电应运而生。微波输电一般分为谐振式和微波式，前者传输距离很短，后者可以实现远距离传输。然而，在微波无线输电领域，还没有人提出由射频微波转换成低频交流电的转换电路，因此本发明提出了一种用于微波无线输电系统的射频微波转低频交流转换电路。
3.常规的方案中，在微波无线输电系统生成直流电能之后，再在直流输出后面添加逆变电路，这种方法能够实现，从射频微波到交流电能的转换，但是其转换的过程是rf
‑
dc
‑
ac，过程繁琐，需要采用更多的元器件。
4.对于微波无线输电系统而言，发射功率恒定，相对距离位置不变，接收到的能量就是恒定的，如果在其直流输出上直接增加逆变，其效率会变得很低。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决微波无线输电输出低频交流电能的问题，提出了一种2.4g微波无线单相交交变换电路。
6.本发明的技术方案是：一种2.4g微波无线单相交交变换电路，其特征在于，包括接收天线单元、射频开关单元、正电压整流单元、负电压整流单元和交流合成单元；
7.接收天线单元的输出端口和射频开关单元的公共输入端口连接；射频开关单元的第一微波输出端和第二微波输出端分别与正电压整流单元的微波输入端和负电压整流单元的微波输入端一一对应连接；正电压整流单元的直流输出端和负电压整流单元的直流输出端分别与交流合成单元的正电压输入端口和负电压输入端口一一对应连接；交流合成单元的交流输出端口和交流负载连接；
8.接收天线单元用于接收2.4g微波无线输电发射端的微波能量，并将接收的微波能量传输至射频开关单元；
9.射频开关单元用于通过控制信号将微波能量传输至正电压整流单元或负电压整流单元；
10.正电压整流单元和负电压整流单元用于将微波能量整流为正负直流电；
11.交流合成单元用于将正电压整流单元和负电压整流单元输出的正负直流电合并生成矩形交流电，并为交流负载供电。
12.进一步地，接收天线单元采用圆极化微带天线。
13.进一步地，射频开关单元包括型号为hmc8308的固态射频开关芯片u1、电容c1
‑
c3和接地电容c4
‑
c7；
14.芯片u1的第1引脚分别与接地电容c4、接地电容c7和参考电位点v
dd
连接；芯片u1的第2引脚分别与接地电容c5和控制信号端v
ctl
连接；芯片u1的第3引脚和电容c1的一端连接；电容c1的另一端和微波无线输电发射端连接；芯片u1的第5引脚分别与接地电容c6和控制信号的使能端en连接；芯片u1的第9引脚和电容c2的一端连接；电容c2的另一端作为射频开关单元的第一微波输出端口rf1；芯片u1的第10引脚和第11引脚均接地；芯片u1的第12引脚和电容c3的一端连接；电容c3的另一端作为射频开关单元的第二微波输出端口rf2。
15.进一步地，正电压整流单元包括电阻r1
‑
r2、接地电阻r3、整流二极管d1和接地电容c8；
16.电阻r1的一端和射频开关单元的第一微波输出端口rf1连接；电阻r1的另一端分别与电阻r2的一端和接地电阻r3连接；电阻r2的另一端和整流二极管d1的正极连接；整流二极管d1的负极和接地电容c8连接，其连接点作为正电压整流单元的直流输出端。
17.进一步地，负电压整流单元包括电阻r4
‑
r5、接地电阻r6、整流二极管d2和接地电容c9；
18.电阻r4的一端和射频开关单元的第二微波输出端口rf2连接；电阻r4的另一端分别与电阻r5的一端和接地电阻r6连接；电阻r5的另一端和整流二极管d2的负极连接；整流二极管d2的正极和接地电容c9连接，其连接点作为负电压整流单元的直流输出端。
19.进一步地，交流合成单元包括mos管q1
‑
q2、型号为xh2.54 3p的端口j1和型号为xh2.54 2p的端口j2；
20.端口j1的第1引脚分别与mos管q1的源极和正电压整流单元的直流输出端连接；端口j1的第3引脚分别与mos管q2的源极和负电压整流单元的直流输出端连接；端口j2的第1引脚分别与mos管q1的漏极和mos管q2的漏极连接，其连接点作为交流合成单元的交流输出端口；端口j1的第2引脚、mos管q1的栅极、mos管q2的栅极和端口j2的第2引脚均接地。
21.本发明的有益效果是：
22.(1)本发明可以完成收集微波能量并转换成为交流电能的需求，在不会降低整体电路效率的情况下，简化了常规方案的电路结构，提成电路稳定性以及可靠性。
23.(2)本发明的电路采用模块化设计，可以根据不同功率密度而更换不同的模块单元，从而获得最佳的性能，满足更多不同和情况下的需求。
24.(3)相比于传统的增加逆变环节而言，本发明的电路结构更加简单，并且能够最大程度上使用结构天线收集到的微波能量，并且输出交流的频率能够对几赫兹到几十千赫兹的交流电进行调节。
附图说明
25.图1为2.4g微波无线单相交交变换电路的结构图；
26.图2为接收天线单元俯视图；
27.图3为射频开关单元电路图；
28.图4为正电压整流单元电路图；
29.图5为负电压整流单元电路图；
30.图6为交流合成单元电路图。
具体实施方式
31.下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
32.如图1所示，本发明提供了一种2.4g微波无线单相交交变换电路，包括接收天线单元、射频开关单元、正电压整流单元、负电压整流单元和交流合成单元；
33.接收天线单元的输出端口和射频开关单元的公共输入端口连接；射频开关单元的第一微波输出端和第二微波输出端分别与正电压整流单元的微波输入端和负电压整流单元的微波输入端一一对应连接；正电压整流单元的直流输出端和负电压整流单元的直流输出端分别与交流合成单元的正电压输入端口和负电压输入端口一一对应连接；交流合成单元的交流输出端口和交流负载连接；
34.接收天线单元用于接收2.4g微波无线输电发射端的微波能量，并将接收的微波能量传输至射频开关单元；
35.接收天线单元理论上可以是任意天线，但考虑到实际更多用于微波无线输电系统，因此以与系统发射天线相匹配的天线为最佳，接收天线单元输出端口与射频开关单元微波输入公共端口相连接，作为整个转换电路微波来源。
36.射频开关单元用于通过控制信号将微波能量传输至正电压整流单元或负电压整流单元；
37.射频开关单元经过控制信号，控制微波能量流入正电压整流单元还是流入负电压整流单元，但是为了能够得到正负半周期对称的交流电能，微波能量流入正电压整流单元和流入负电压整流单元的时间相等，均为约等半个交流周期；
38.正电压整流单元和负电压整流单元用于将微波能量整流为正负直流电；
39.交流合成单元用于将正电压整流单元和负电压整流单元输出的正负直流电合并生成矩形交流电，并为交流负载供电。
40.将正电压整流单元和负电压整流单元输出的正负直流电接入到交流合成单元中，合并生成正负对称的矩形交流电，为交流负载进行供电；最终交流合成单元输出的交流电的频率可通过射频开关单元的微功率的控制信号频率进行控制。
41.在本发明实施例中，接收天线单元采用圆极化微带天线。
42.图2为本发明实施例中的收天线单元俯视图，其设计流程如下：
43.其中接收天线单元采用圆极化微带天线，由1.6mm厚度的1oz铜厚fr4印制板刻录而成，其设计方法为：
44.微带天线的介质基板选择后即可确定其介质参数ε
r
和材质厚度h，所设计天线工作的中心频率点f也是已知量。
45.在已知上一步的参数后，利用如下公式可以计算出微带贴片的宽度w，其计算公式为：
[0046][0047]
其中，c是光速。
[0048]
根据经验值，贴片的长度通常选择波导波长(λ
e
)的1/2，其中波导波长为：
[0049][0050]
其中，ε
e
是有效介电常数，而其计算方式如下式所示：
[0051][0052]
考虑到边缘缩短效应，实际计算出的微带贴片长度l为：
[0053][0054]
其中，δl表示的是等效辐射缝隙长度，其计算方式如下：
[0055][0056]
圆极化微带矩形天线圆极化条件是：
[0057]
|δs/s|q＝1/2
[0058]
其中，δs是简并模分离单元的面积，s是微带贴片的面积，q是微带贴片天线的品质因数，其计算公式为：
[0059][0060]
最终结合eda工具优化得到，天线为切角正方形贴片，边长28.564mm，切角尺寸3.575mm，微带馈线长度1.299mm。
[0061]
在本发明实施例中，如图3所示，射频开关单元包括型号为hmc8308的固态射频开关芯片u1、电容c1
‑
c3和接地电容c4
‑
c7；
[0062]
芯片u1的第1引脚分别与接地电容c4、接地电容c7和参考电位点v
dd
连接；芯片u1的第2引脚分别与接地电容c5和控制信号端v
ctl
连接；芯片u1的第3引脚和电容c1的一端连接；电容c1的另一端和微波无线输电发射端连接；芯片u1的第5引脚分别与接地电容c6和控制信号的使能端en连接；芯片u1的第9引脚和电容c2的一端连接；电容c2的另一端作为射频开关单元的第一微波输出端口rf1；芯片u1的第10引脚和第11引脚均接地；芯片u1的第12引脚和电容c3的一端连接；电容c3的另一端作为射频开关单元的第二微波输出端口rf2。
[0063]
射频开关单元为单刀双掷射频开关，射频微波端口总共有三个，一个公共输入端口，两个输出端口(分别为输出端口1和输出端口2)；另外带有一个偏置供电端口和一个控制端口，控制端口可以通过高低电平来控制射频开关单元公共输入端口与输出端口1导通还是与输出端口2导通，从而控制公共输入端口的微波能量是从输出端口1输出，还是从输出端口2输出；输出端口1与正电压整流单元相连，输出端口2与负电压整流单元相连。
[0064]
射频开关单元电路包含有固态射频开关芯片、射频隔直电容以及电源去耦电容。其中，c1、c2和c3为射频隔直电容，一端分别连接射频开关芯片的3、9、12号引脚，另一端分别连接公共微波输入端口、微波输出端口1和微波输出端口2，隔离直流避免直流分量耦合到固态射频开关管脚上影响射频开关芯片工作；c4和c7为射频开关芯片电源去耦电容，一端连接到参考电位点，另一端连接到射频开关芯片的1号电源引脚；c5为控制信号消抖电
容，使得外部输入的控制信号电压过冲减小。其中，rfc、rf1和rf2的特性阻抗均在工作频段下(以2.45ghz为例)为50欧姆。v
ctl
是通过高低电平的输入，来控制公共端与输出两个端口的某一个导通。
[0065]
射频开关单元采用微功耗单刀双掷固态射频开关芯片搭建而成，减少附加的功率损耗，输入输出端口必须添加隔直电容，避免直流耦合对开关芯片的工作造成影响，干扰射频开关单元工作状态。输入输出微带线采用50ω微带线进行设计。另外增加直流单元偏置，将控制端口进行引出。
[0066]
在本发明实施例中，如图4所示，正电压整流单元包括电阻r1
‑
r2、接地电阻r3、整流二极管d1和接地电容c8；
[0067]
电阻r1的一端和射频开关单元的第一微波输出端口rf1连接；电阻r1的另一端分别与电阻r2的一端和接地电阻r3连接；电阻r2的另一端和整流二极管d1的正极连接；整流二极管d1的负极和接地电容c8连接，其连接点作为正电压整流单元的直流输出端。
[0068]
正电压整流单元有两个端口，一个微波输入端口，一个直流输出端口，微波输入端口与射频开关单元中的微波输出端口1相连，直流输出端口与交流合成单元相连；包含阻抗匹配、整流结构和直通滤波器，阻抗匹配将整个正电压整流单元的输入阻抗匹配到与射频开关单元的输出端口1的输出阻抗相同的阻抗；整流结构包含有射频二极管，采用射频二极管的单向导电性，将微波转换成为波动的直流，上面还叠加有高频分量；直通滤波器将滤除整流结构输出的高频分量，使得输出的直流更加平滑稳定。
[0069]
射频微波功率信号经过匹配电路，再由整流二极管单向导电性进行整流输出脉动的正直流，再经过输出的直通滤波器进行平滑，得到稳定的直流正压。射频输入端口需连接到图3中的rf1端口，由于整流二极管阻抗并非50欧姆，因此需要通过匹配电路将输入端口的输入阻抗匹配到50欧姆阻抗，本实施例采用的是短路枝节匹配；整流电路采用的是单管串联整流结构，整流二极管阴极连接的输入端口后的匹配电路，阳极连接的输出负载。
[0070]
在本发明实施例中，如图5所示，负电压整流单元包括电阻r4
‑
r5、接地电阻r6、整流二极管d2和接地电容c9；
[0071]
电阻r4的一端和射频开关单元的第二微波输出端口rf2连接；电阻r4的另一端分别与电阻r5的一端和接地电阻r6连接；电阻r5的另一端和整流二极管d2的负极连接；整流二极管d2的正极和接地电容c9连接，其连接点作为负电压整流单元的直流输出端。
[0072]
负电压整流单元有两个端口，一个微波输入端口，一个直流输出端口，微波输入端口与射频开关单元中的微波输出端口1相连，直流输出端口与交流合成单元相连；包含阻抗匹配、整流结构和直通滤波器，阻抗匹配将整个负电压整流单元的输入阻抗匹配到与射频开关单元的输出端口2的输出阻抗相同的阻抗；整流结构包含有射频二极管，采用射频二极管的单向导电性，将微波转换成为波动的直流，上面还叠加有高频分量；直通滤波器将滤除整流结构输出的高频分量，使得输出的直流更加平滑稳定。
[0073]
射频微波功率信号经过匹配电路，再由整流二极管单向导电性进行整流输出脉动的负直流，再经过输出的直通滤波器进行平滑，得到稳定的直流负压。射频输入端口需连接到图3中的rf1端口，由于整流二极管阻抗并非50欧姆，因此需要通过匹配电路将输入端口的输入阻抗匹配到50欧姆阻抗，本实施例采用的是短路枝节匹配，从而保证与射频开关单元进行良好匹配，；整流电路采用的是单管串联整流结构，整流二极管养极连接的输入端口
后的匹配电路，阴极连接的输出负载，与图4中的电路结构一致，但是整流二极管方向反向，从而输出与图4中正电压整流电路等幅的负电压。
[0074]
正电压整流单元和负电压整流单元的整流结构中包含的二极管方向应为相反方向，从而生成互为正负相反的直流电压。
[0075]
在本发明实施例中，如图6所示，交流合成单元包括mos管q1
‑
q2、型号为xh2.54 3p的端口j1和型号为xh2.54 2p的端口j2；
[0076]
端口j1的第1引脚分别与mos管q1的源极和正电压整流单元的直流输出端连接；端口j1的第3引脚分别与mos管q2的源极和负电压整流单元的直流输出端连接；端口j2的第1引脚分别与mos管q1的漏极和mos管q2的漏极连接，其连接点作为交流合成单元的交流输出端口；端口j1的第2引脚、mos管q1的栅极、mos管q2的栅极和端口j2的第2引脚均接地。
[0077]
交流合成单元有三个端口，一个正电压输入端口、一个负电压输入端口和一个交流输出端口；正电压输入端口与正电压整流单元直流输出端口相连，作为合成交流电的正半周期电压；负电压输入端口与负电压整流单元直流输出端口相连，作为交流电的负半周期电压；交流输出端口输出交流电能为交流用电设备供电；避免两路直流输入合并成为一路交流输出，交流合成单元具有避免输入端口形成闭合回路的功能。
[0078]
交流合成电路由一对mos管组成，q1为p沟道mos管，其源极连接正电压整流单元的输出端，漏极接交流输出；q2为n沟道mos管，源极连接负电压整流电路的输出端，漏极接交流输出；两个mos管的栅极均接地。此时，由于图2中的射频开关单元的存在，并且采用的单刀双掷开关，因此图4中的正电压整流单元与图5中的负电压整流单元会交替工作，正电压单元工作时输出正电压，此时pmos管q1源极为正，栅极为零电位，因此导通，输出交流电压正半周期；负电压单元工作时输出正电压，此时nmos管q1源极为负，栅极为零电位，因此导通，交流输出负半周期；两个半周期不断交替工作，最终合成交流电压输出。其中，为了能够尽可能地提高正负电压利用率，采用nmos管和pmos管以有较低的导通电压为宜。
[0079]
交流合成单元为两个互补的mos管电路，栅极共同接地，采用自驱动的电路形式。
[0080]
本发明的工作原理及过程为：接收天线单元收集到的微波能量通过射频开关单元选择性地传输到正电压整流单元或者负电压整流单元，周期性地生成正电压或者负电压，最后输出给交流合成单元，将呈周期交替的正负电压，合并成为呈周期的交流电压。
[0081]
本发明的有益效果为：
[0082]
(1)本发明可以完成收集微波能量并转换成为交流电能的需求，在不会降低整体电路效率的情况下，简化了常规方案的电路结构，提成电路稳定性以及可靠性。
[0083]
(2)本发明的电路采用模块化设计，可以根据不同功率密度而更换不同的模块单元，从而获得最佳的性能，满足更多不同和情况下的需求。
[0084]
(3)相比于传统的增加逆变环节而言，本发明的电路结构更加简单，并且能够最大程度上使用结构天线收集到的微波能量，并且输出交流的频率能够对几赫兹到几十千赫兹的交流电进行调节。
[0085]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。