一种环境电磁波能量收集整流器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种环境电磁波能量收集整流器，适用于低功率环境，能在三个频段 内工作，属于能量收集领域中具有三频工作特性的整流电路范畴。
【背景技术】
[0002] 能量收集技术可用于对多种能量形式的采集和利用，如太阳能、风能、电磁波能量 等等。近年来，无线通信技术不断发展，周围环境中充满了不同频率的电磁波能量，因而对 电磁波形式的能量收集技术的研究成为热点。整流电路是电磁波能量收集系统的关键技 术，它能将收集到的周围环境中的电磁能量转换为直流，给无线传感器网络（WSN)和射频识 另^ (RFID)等电子设备供能，从而大大增加这些系统中电池的使用寿命，甚至摆脱电池的束 缚，减少技术人员对传感器的维护、更换工作。周围环境中的电磁波能量功率较低，且单一 工作频段的整流电路可收集到的电磁波能量有限，这就要求整流电路具有低功率下的多频 工作特性。
[0003] 整流电路一般包括阻抗匹配网络、整流二极管、直通滤波器和直流负载。整流二极 管是整流电路的关键元件，其性能参数决定了整流电路能否在低功率环境下工作，其非线 性工作特性增加了实现整流电路多频工作的难度。能在低功率环境下工作的多频整流电路 与接收天线连接，便能够实现周围环境中的能量收集。
【发明内容】
[0004] 本发明针对目前主流无线通信系统所使用的三个频段：ISM915MHz频段、 UMTS2100频段、802. Ilb协议的2. 4GHz频段，提供一种环境电磁波能量收集整流器，在低功 率环境下，三个频段上都能实现较好的阻抗匹配，使其具有较高的整流效率，可用于无线能 量传输、无线传感器网络和射频识别等多个领域。
[0005] 为达到上述目的，本发明的构思是： 本整流电路共分三层，上层为金属微带整流电路结构，中间层是介质板层，介质板层背 面即下层为接地金属层。整流电路由双T型短路枝节阻抗匹配网络、整流二极管、微带扇形 直通滤波器和直流负载组成。采用特定型号的二极管串联接入整流电路，以实现低功率下 的整流。短路枝节通过金属过孔与下层金属层相连，用来进行阻抗匹配，并提供直流回路。 双T型短路枝节阻抗匹配网络的几何参数对三频段的阻抗匹配有较大的影响。微带扇形直 通滤波器滤除基频和二极管整流过程中产生的高次谐波，将直流能量提供给直流负载，给 外部供能。
[0006] 根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案： 一种环境电磁波能量收集整流器，包括上层的金属微带整流电路结构，中间层的介质 基板和下层的接地金属层。所述上层的微带整流电路结构由一个双T型短路枝节阻抗匹配 网络依次经一个整流二极管和一个微带扇形直通滤波器连接一个直流负载构成。
[0007] 所述双T型短路枝节阻抗匹配网络由两节T型短路枝节阻抗变换器相连而成，其 几何参数可用来调节整流电路的输入阻抗，实现920MHz、2. 14GHz、2. 4GHz这三个频点上的 阻抗匹配。所述T型短路枝节阻抗变换器通过两个T形脚下端部的圆形金属过孔与下层金 属层相连，用来进行阻抗匹配，并提供直流回路。所述双T型短路枝节阻抗匹配网络的输入 端口接SM接头，方便与接收天线相连。
[0008] 所述整流二极管的型号为HSMS-2850,以实现低功率下的整流，将其串联接入整流 电路，其正极与双T型短路枝节阻抗匹配网络的输出端口相连，负极与微带扇形直通滤波 器的输入端口相连。
[0009] 所述微带扇形直通滤波器为两个串联的扇形金属层；所述直流负载一端焊接在直 通滤波器的输出端口，另一端接地。
[0010] 所述整流电路在三个频段的输入阻抗均为50欧姆。
[0011] 所述的上层整流电路结构和下层接地金属层需要用导电性较好的金属材料，如 金、银或铜。
[0012] 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点： 1、本发明采用单一二极管串联接入整流电路的结构，更适用于低功率环境下的应用。
[0013] 2、本发明采用双T型短路枝节阻抗匹配网络，在实现阻抗匹配的同时提供直流回 路，且结构简单。通过调节阻抗匹配网络的几何参数，实现了 920MHz、2. 14GHz、2. 4GHz这 三个频点上的阻抗匹配，920MHz适用于ISM915MHz频段，2. 14GHz适用于UMTS2100频段， 2. 4GHz适用于802. Ilb协议，这使得本发明具有很高的实用性。
[0014] 3、本发明剖面低、体积小、重量轻、结构稳固；具有平面结构，易于与天线或其他电 路集成。本发明采用印刷电路工艺，选用的元件和材料价格都十分低廉，适合大规模生产， 工程应用前景广阔。
[0015] 4、本发明在-IOdBm的低输入功率条件下，920MHz的整流效率为60. 0%，2. 14GHz的 整流效率为53. 1%，2. 4GHz的整流效率为49. 8%。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明环境电磁波能量收集整流器的结构示意图。
[0017] 图2是图1的后视图。
[0018] 图3是本发明环境电磁波能量收集整流器所用介质板层示意图。
[0019] 图4是本发明环境电磁波能量收集整流器在输入功率为-IOdBm时整流效率随频 率的变化。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图对本发明的优选实施例作详细说明： 实施例一： 参见图1至图3, 一种环境电磁波能量收集整流器，包括上层的金属微带整流电路结构 (1)，中间层的介质基板（2)和下层的接地金属层（3)。所述上层的金属微带整流电路结构 由一个双T型短路枝节阻抗匹配网络（4)依次经一个整流二极管（5)和一个微带扇形直通 滤波器（6)连接一个直流负载（7)构成。
[0021] 实施例二： 本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述双T型短路枝节阻抗匹配网络（4) 由两节T型短路枝节阻抗变换器（8)相连而成，其几何参数可用来调节整流电路的输入阻 抗，实现920MHz、2. 14GHz、2. 4GHz这三个频点上的阻抗匹配。所述T型短路枝节阻抗变换 器（8)通过两个T形脚下端部的圆形金属过孔（9)与下层金属层（3)相连，用来进行阻抗匹 配，并提供直流回路。所述双T型短路枝节阻抗匹配网络（4)的输入端口接SM接头，方便 与接收天线相连。
[0022] 所述整流二极管（5)的型号为HSMS-2850,以实现低功率下的整流，将其串联接入 整流电路，其正极与双T型短路枝节阻抗匹配网络（4)的输出端口相连，负极与微带扇形直 通滤波器（6)的输入端口相连。
[0023] 所述微带扇形直通滤波器（6)为两个串联的扇形金属层，用来滤除基频和二极管 在整流过程中产生的高次谐波；所述直流负载（7) -端焊接在直通滤波器（6)的输出端口， 另一端接地。
[0024] 本实施例中所述介质基板（2)的介电常数=2. 65,厚度H =0. 8mm。上层和下层 为金属涂层，材料为铜。
[0025] 图4显示了整流电路在-IOdBm的低输入功率条件下整流效率随频率的变化，从图 中可以看出，920MHz对应的整流效率为60. 0%，2. 14GHz对应的整流效率为53. 1%，2. 4GHz对 应的整流效率为49. 8%。
【主权项】
1. 一种环境电磁波能量收集整流器，包括上层的金属微带整流电路结构（I)、中间层 的介质基板（2)和下层的接地金属层（3)，其特征在于：所述上层的金属微带整流电路结构 由一个双T型短路枝节阻抗匹配网络（4)依次经一个整流二极管（5)和一个微带扇形直通 滤波器（6)连接一个直流负载（7)构成。2. 根据权利要求1所述的环境电磁波能量收集整流器，其特征在于：所述双T型短路 枝节阻抗匹配网络（4)由两节T型短路枝节阻抗变换器（8)相连而成，其几何参数可用来调 节整流电路的输入阻抗，实现920MHz、2. 14GHz、2.4GHz这三个频点上的阻抗匹配；所述T型 短路枝节阻抗变换器（8)通过两个T形脚下端部的圆形金属过孔（9)与下层金属层（3)相 连，用来进行阻抗匹配，并提供直流回路；所述双T型短路枝节阻抗匹配网络（4)的输入端 口接SM接头，方便与接收天线相连。3. 根据权利要求1所述的环境电磁波能量收集整流器，其特征在于：所述整流二极管 (5)的型号为HSMS-2850,以实现低功率下的整流，将其串联接入整流电路，其正极与双T型 短路枝节阻抗匹配网络（4)的输出端口相连，负极与微带扇形直通滤波器（6)的输入端口 相连。4. 根据权利要求1所述的环境电磁波能量收集整流器，其特征在于：所述微带扇形直 通滤波器（6 )为两个串联的扇形金属层；所述直流负载（7 ) -端焊接在直通滤波器（6 )的输 出端口，另一端接地。5. 根据权利要求1所述的环境电磁波能量收集整流器，其特征在于：所述介质基板（2) 的介电常数\ =2.65,厚度H=0.8mm。
【专利摘要】本发明涉及一种环境电磁波能量收集整流器。它包括上层的金属微带整流电路结构，中间层的介质基板和下层的接地金属层。所述上层的金属微带整流电路结构由一个双T型短路枝节阻抗匹配网络依次经一个整流二极管和一个微带扇形直通滤波器连接一个直流负载构成。本发明适用于目前主流无线通信系统所使用的三个频段：ISM915MHz频段、UMTS2100频段、802.11b协议的2.4GHz频段，在-10dBm的低输入功率条件下都能得到较高的整流效率。本发明剖面低、体积小、重量轻、结构稳固、易于集成，采用印刷电路工艺，选用的元件和材料价格都十分低廉，适合大规模生产，工程应用前景广阔。
【IPC分类】H02J17/00, H02J7/02
【公开号】CN105048608
【申请号】CN201510273126
【发明人】陆佳骏, 杨雪霞, 梅欢
【申请人】上海大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年5月26日