基于非对称耦合器的双通道通信整流多功能天线的制作方法

本发明属于微波输能技术领域，涉及通信整流天线，具体涉及一种基于非对称耦合器双通道通信/整流多功能天线。

背景技术：

随着无线通信技术的发展，许多无线移动电子设备都在无时无刻进行通信。为了保持不间断的通信，这些移动电子设备需要持续的能量供应。并且，随着电磁发射设备大量涌现(比如信号塔，广播塔，电视塔等)，更多的电磁波弥散在自由空间中。如果这些电磁波能量能被大量无线移动电子设备接收，代替电池为这些便携式无线电子设备提供持续的电能供应，使电子设备随时随地进行通信，加速以电磁波为能量的新能源系统的多功能集成发展。

微波输能，以微波的形式进行无线能量传输。而整流天线，将天线和整流电路集成为一体。其中天线为能量接收单元，整流电路为能量的转换单元。整流天线能接收环境中的电磁波能量，并转换为直流电能，直接为无线电子设备供电。并且，整流天线中的天线中也是进行无线通信必不可少的器件。如果在通信设备中，将通信中的天线与整流天线的天线分开设计，这样不利于电子设备小型化且使移动电子设备结构变得十分复杂。并且，天线之间的耦合将相互影响两个天线的性能，影响整个系统的性能。因此，有必要将整流天线与通信天线一起设计，即通信整流天线，使整流天线向着多功能化实现，既能实现通信功能也能实现微波输能，有利于无线移动电子设备的小型化和轻薄化。

目前，通信整流天线已有一些研究，相关的公开报道的研究成果如下。r.dehbashi等人在文献“dual-fedantennaforwirelesspowertransmissionanddatacommunication”公开了一双端口通信整流天线，微带线端口以及同轴端口分别接整流电路和通信设备。但是此双端口通信整流天线在同一频率2.4ghz下，两个端口的隔离度很低，导致无线通信和微波输能之间的性能会受到影响，无法同时良好工作。为了减少整流和通信之间的干扰，x.yang等人在文献“anovelcompactprintedrectennafordatacommunicationsystems”中提出一高隔离的双端口通信整流天线。该整流天线采用相互垂直的双h缝隙耦合馈电，一个端口接整流电路，另一个端口接通信电路。此天线采用频分复用技术，通信和整流天线分别工作于6.1ghz和5.78ghz。但是，若空间中只有单一频率的电磁信号时，此类通信整流天线的应用将受到限制。为了实现同一频率下高隔离地通信和输能工作，pinglu等人在文献“atwo-channelfrequencyreconfigurablerectennaformicrowavepowertransmissionanddatacommunication.”公开了一频率可重构通信整流天线。通过引入pin可调开关器件，天线可实现同一频率下的通信和输能工作，也可实现不同频率下的通信和输能工作。并且，通过控制pin开关器件的状态，通信整流天线两个端口在不同的工作模式下都可实现高隔离工作。但是，天线中的pin二极管开关会引入额外损耗，大幅度降低了整流天线的整流转换效率。卢萍等人在中国发明专利“一种多极化双通道通信/整流多功能天线”(已受理，201910599285.8)中公开了一种多极化双通道通信整流天线。由于对称的正交混合耦合器，该双通道通信整流天线可实现多极化工作。并且，两个端口在工作带宽下可以实现高隔离工作，很好地进行通信和微波输能。由于正交混合耦合器的对称特性，该通信整流天线两个端口的输出功率比为1:1，输出功率相等，都是-3db。但是，为了确保整流二极管能很好地运行在工作区，整流电路所需的输入功率(pin＝～16dbm)远远高于通信电路所需的功率(比如手机通信所需的功率pc＝～10dbm(0.01w)@2100mhz)。若采用对称的正交混合耦合器，该通信整流天线的两个端口输出能量只能平均分配给通信电路和整流电路，可能会使能量分配不合理，使整流电路达不到最佳工作输入功率，而通信能量有剩余，造成一种能量资源浪费。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于非对称耦合器的双通道通信/整流多功能天线。本发明中，采用时分复用技术，通信整流天线工作于同一频率，但分别或同时用于通信工作和整流工作。通过引入非对称正交混合耦合器，通信和整流端口不仅实现高隔离工作，且两个端口输出的功率可实现不同功率分配比。通过合理分配输出能量，确保整流电路和通信电路在各自的最佳的功率下实现良好的工作。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于非对称耦合器的双通道通信整流多功能天线，包括接收天线1，整流电路2和通信电路3；接收天线1包括辐射贴片、非对称正交混合耦合器馈电网络102、第一介质基板401和第一部分金属地；辐射贴片和非对称正交混合耦合器馈电网络102位于第一介质基板401的上表面，第一部分金属地位于第一介质基板401的下表面；第一部分金属地包括缺陷地结构5，缺陷地结构5包括一个半圆槽，半圆槽右侧中心连接长方形槽；

非对称正交混合耦合器馈电网络102包括封闭的口字型微带枝节1025、四个l型开路枝节1026-1029和四个直线型开路枝节1021-1024；

第一直线型开路枝节1021、第二直线型开路枝节1022、第三直线型开路枝节1023、第四直线型开路枝节1024依次形成非对称正交混合耦合器馈电网络102的第一端口、第二端口、第三端口、第四端口，辐射贴片分为大小不同的相互分离的上半贴片1011、下半贴片1012，第三端口与上半贴片1011连接，第四端口与下半贴片1012连接，第三端口和第四端口为输入端口；第一端口和第二端口为输出端口，第一端口和第二端口输出的功率比为1：k，k为任意数，且第一端口和第二端口有90°的相位差；

第一端口、第二端口其中一个端口单独连接通信电路3或整流电路2，另一端口接匹配负载；或者第一端口、第二端口其中输出功率较大的一个端口接整流电路2，输出功率较小的一个端口接通信电路3；

口字型微带枝节1025包括沿y方向延伸的上枝节10251、下枝节10252，沿x方向延伸的左枝节10253、右枝节10254，所述上、下枝节和左、右枝节围合成矩形，上枝节10251、下枝节10252长度相同，左枝节10253、右枝节10254长度相同；所述上枝节10251的一端与第三直线型开路枝节1023沿y方向连接、另一端与第一直线型开路枝节1021沿y方向连接，所述下枝节10252的一端与第四直线型开路枝节1024沿y方向连接、另一端与第二直线型开路枝节1022沿y方向连接，从而形成非对称正交混合耦合器馈电网络102的四个端口，第一l型开路枝节1026与第一直线型开路枝节1021沿x方向连接，第二l型开路枝节1027与第二直线型开路枝节1022沿x方向连接，第三l型开路枝节1028与第三直线型开路枝节1023沿x方向连接，第四l型开路枝节1029与第四直线型开路枝节1024沿x方向连接，由于形成四个端口的四个直线型开路枝节关于x轴或y轴非对称、四个l型开路枝节1026-1029关于x轴或y轴非对称，所以非对称正交混合耦合器馈电网络102是非对称混合耦合器。

作为优选方式，上半贴片1011、下半贴片1012两部分的电尺寸不同，通过非对称正交混合耦合器馈电网络使第一端口和第二端口输出同一个频率的电磁波，传输到整流电路和通信电路。

作为优选方式，整流电路2用于将非对称正交混合耦合器馈电网络102输出的射频能量转换为直流能量，整流电路2包括第二介质基板402、第二金属地、前置电容6、整流二极管7、匹配电路8、旁路电容9和负载10；前置电容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；前置电容6、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与负载10之间；整流二极管7和匹配枝节8并联，整流二极管7将射频能量转换为直流能量；整流电路中的前置电容6与旁路电容9协同工作，滤除整流二极管7非线性工作产生的高次谐波，平滑电压波形，整流电路中的匹配电路8用于实现接收天线1与整流电路2之间的匹配。

作为优选方式，通信电路3包括依次串联的带通滤波器、放大器、混频器、解调器，用于信号的发射和接收。

作为优选方式，非对称正交混合耦合器馈电网络102中的口字型微带枝节和与其连接的四个直线型开路枝节用于匹配非对称正交混合耦合器馈电网络102的四个端口，使耦合器的两个输出端口：即第一端口和第二端口输出相位相差90°、功率比1:k的能量，且使第一端口和第二端口之间的隔离度>15db，四个l型开路枝节用于实现二次谐波的抑制。

作为优选方式，非对称正交混合耦合器馈电网络102有三种连接状态：

第一状态：第一端口连接整流电路2或通信电路3，第二端口连接匹配负载，此时第三端口和第四端口作为输出端口为辐射贴片提供功率比为1：k且具有90°相位差的信号，此时通信整流天线实现线极化或圆极化工作；

第二状态：第二端口连接通信电路3或整流电路2，第一端口连接匹配负载，此时第三端口和第四端口作为输出端口为辐射贴片提供功率比为1：k且具有-90°相位差的信号，此时通信整流天线实现线极化或圆极化工作，其极化方向与第一状态相互垂直；

第三状态：第一端口和第二端口同时接整流电路2和通信电路3，根据第一、第二两个端口的功率匹配比，其中输出能量相对高的端口接整流电路，输出能量相对低的端口接通信电路，此时第三端口或第四端口作为输出端口为辐射贴片提供信号，通信整流天线实现线极化工作。-

作为优选方式，接收天线1与整流电路2和通信电路3都是通过同轴接头进行连接，第一介质基板与第二介质基板的材料相同。

作为优选方式，非对称正交混合耦合器馈电网络102的四个端口都是阻抗匹配的，从第三端口天线的输入射频能量以功率比1：k分别分配给第一端口和第二端口，且第一端口和第二端口之间存在有90°相移，使两个端口的射频输出能量不是同步输出，为后端的微波输能工作和通信工作提供时间差，避免微波输能工作和通信工作相互干扰，并且当第三端口馈入能量时，没有能量耦合到第四端口，实现第三端口和第四端口之间隔离度>15db。

本发明的有益效果是：本发明所述天线采用引入非对称正交混合耦合器，根据通信电路和整流电路的最佳工作功率，通信/整流多功能天线可以实现不同功率比的能量输出，分别或同时实现微波输能及通信信号传输。并且非对称正交混合耦合器的能量输出端口具有高隔离度，通信和微波输能工作相互不干扰。本发明所述的通信整流天线具有多功能，多模式，不同功率比输出的特点，使通信整流天线能量利用率更高，避免造成能量浪费，应用范围更广泛。

附图说明

图1为本发明基于非对称耦合器的双通道通信整流多功能天线的示意图；

图2为本发明非对称耦合器馈电网络结构示意图；

图3(a)和图3(b)为本发明非对称耦合器馈电网络结构s参数曲线图和相位曲线图。其中图3(a)为s参数幅度；图3(b)为s参数相位；

图4为本发明非对称耦合器馈电网络结构输出两个端口的s12参数；

图5为本发明双通道通信整流多功能天线的s参数曲线图。

图6为整流电路在2.4ghz下不同输入功率下的转换效率图。

1为接收天线，2为整流电路，3为通信电路，102为非对称正交混合耦合器馈电网络，401为第一介质基板，5为缺陷地结构，1021为第一直线型开路枝节，1022为第二直线型开路短枝节，1023为第三直线型开路枝节，1024为第四直线型开路枝节，1011为上半贴片，1012为下半贴片，1025为口字型微带枝节，10251为上枝节，10252为下枝节，10253为左枝节，10254为右枝节，1026为第一l型开路枝节、1027为第二l型开路枝节、1028为第三l型开路枝节，1029为第四l型开路枝节；402为第二介质基板，6为前置电容，7为整流二极管，8为匹配电路，9为旁路电容，10为负载。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

本实施例提供一种基于非对称耦合器的双通道通信整流多功能天线，包括接收天线1，整流电路2和通信电路3；接收天线1包括辐射贴片、非对称正交混合耦合器馈电网络102、第一介质基板401和第一部分金属地；辐射贴片和非对称正交混合耦合器馈电网络102位于第一介质基板401的上表面，第一部分金属地位于第一介质基板401的下表面；第一部分金属地包括缺陷地结构5，缺陷地结构5包括一个半圆槽，半圆槽右侧中心连接长方形槽；

非对称正交混合耦合器馈电网络102包括封闭的口字型微带枝节1025、四个l型开路枝节1026-1029和四个直线型开路枝节1021-1024；

第一直线型开路枝节1021、第二直线型开路枝节1022、第三直线型开路枝节1023、第四直线型开路枝节1024依次形成非对称正交混合耦合器馈电网络102的第一端口、第二端口、第三端口、第四端口，辐射贴片分为大小不同的相互分离的上半贴片1011、下半贴片1012，第三端口与上半贴片1011连接，第四端口与下半贴片1012连接，第三端口和第四端口为输入端口；第一端口和第二端口为输出端口，第一端口和第二端口输出的功率比为1：k，k为任意数，且第一端口和第二端口有90°的相位差；

第一端口、第二端口其中一个端口单独连接通信电路3或整流电路2，另一端口接匹配负载；或者第一端口、第二端口其中输出功率较大的一个端口接整流电路2，输出功率较小的一个端口接通信电路3；

口字型微带枝节1025包括沿y方向延伸的上枝节10251、下枝节10252，沿x方向延伸的左枝节10253、右枝节10254，所述上、下枝节和左、右枝节围合成矩形，上枝节10251、下枝节10252长度相同，左枝节10253、右枝节10254长度相同；所述上枝节10251的一端与第三直线型开路枝节1023沿y方向连接、另一端与第一直线型开路枝节1021沿y方向连接，所述下枝节10252的一端与第四直线型开路枝节1024沿y方向连接、另一端与第二直线型开路枝节1022沿y方向连接，从而形成非对称正交混合耦合器馈电网络102的四个端口，第一l型开路枝节1026与第一直线型开路枝节1021沿x方向连接，第二l型开路枝节1027与第二直线型开路枝节1022沿x方向连接，第三l型开路枝节1028与第三直线型开路枝节1023沿x方向连接，第四l型开路枝节1029与第四直线型开路枝节1024沿x方向连接，由于形成四个端口的四个直线型开路枝节关于x轴或y轴非对称、四个l型开路枝节1026-1029关于x轴或y轴非对称，所以非对称正交混合耦合器馈电网络102是非对称混合耦合器。

上半贴片1011、下半贴片1012两部分的电尺寸不同，通过非对称正交混合耦合器馈电网络使第一端口和第二端口输出同一个频率的电磁波，传输到整流电路和通信电路。

整流电路2用于将非对称正交混合耦合器馈电网络102输出的射频能量转换为直流能量，整流电路2包括第二介质基板402、第二金属地、前置电容6、整流二极管7、匹配电路8、旁路电容9和负载10；前置电容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；前置电容6、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与负载10之间；整流二极管7和匹配枝节8并联，整流二极管7将射频能量转换为直流能量；整流电路中的前置电容6与旁路电容9协同工作，滤除整流二极管7非线性工作产生的高次谐波，平滑电压波形，整流电路中的匹配电路8用于实现接收天线1与整流电路2之间的匹配。

通信电路3包括依次串联的带通滤波器、放大器、混频器、解调器，用于信号的发射和接收。

非对称正交混合耦合器馈电网络102中的口字型微带枝节和与其连接的四个直线型开路枝节用于匹配非对称正交混合耦合器馈电网络102的四个端口，使耦合器的两个输出端口：即第一端口和第二端口输出相位相差90°、功率比1:k的能量，且使第一端口和第二端口之间的隔离度>15db，四个l型开路枝节用于实现二次谐波的抑制。

非对称正交混合耦合器馈电网络102有三种连接状态：

第一状态：第一端口连接整流电路2或通信电路3，第二端口连接匹配负载，此时第三端口和第四端口作为输出端口为辐射贴片提供功率比为1：k且具有90°相位差的信号，此时通信整流天线实现线极化或圆极化工作；

第二状态：第二端口连接通信电路3或整流电路2，第一端口连接匹配负载，此时第三端口和第四端口作为输出端口为辐射贴片提供功率比为1：k且具有-90°相位差的信号，此时通信整流天线实现线极化或圆极化工作，其极化方向与第一状态相互垂直；

第三状态：第一端口和第二端口同时接整流电路2和通信电路3，根据第一、第二两个端口的功率匹配比，其中输出能量相对高的端口接整流电路，输出能量相对低的端口接通信电路，此时第三端口或第四端口作为输出端口为辐射贴片提供信号，通信整流天线实现线极化工作。

接收天线1与整流电路2和通信电路3都是通过同轴接头进行连接，第一介质基板与第二介质基板的材料相同。

非对称正交混合耦合器馈电网络102的四个端口都是阻抗匹配的，从第三端口天线的输入射频能量以功率比1：k分别分配给第一端口和第二端口，且第一端口和第二端口之间存在有90°相移，使两个端口的射频输出能量不是同步输出，为后端的微波输能工作和通信工作提供时间差，避免微波输能工作和通信工作相互干扰，并且当第三端口馈入能量时，没有能量耦合到第四端口，实现第三端口和第四端口之间隔离度>15db。

此外，四个开路枝节除了为本实施例中的直线型外，也可以采用为倒l型开路枝节、z字型开路枝节、u型开路枝节其中一种。

本实施例中，所述天线的具体尺寸为l1＝30mm,l2＝26mm,

非对称正交混合馈电网络的具体尺寸为：l3＝22.26mm；l4＝26.2mm；w3＝0.5mm；w4＝2.28mm.

本实施例中，通信/整流多功能天线由非对称正交混合耦合器馈电。非对称正交混合耦合器馈电网络包括封闭的口字型微带枝节、四个l型开路枝节和四个直线型开路枝节；第一直线型开路枝节、第二直线型开路枝节、第三直线型开路枝节、第四直线型开路枝节依次形成非对称正交混合耦合器馈电网络的第一端口、第二端口、第三端口、第四端口。其中第三端口和第四端口分别连接电长度不同的辐射贴片，实现电磁能量辐射；第一端口和第二端口分别或同时通过50欧姆同轴转接头与整流电路和通信电路连接，用于输能和通信。由于非对称正交混合耦合器，第二端口和第一端口可以输出不同的功率分别到通信电路和整流电路，其功率分配比1:4。该非对称正交混合耦合器端口3与其他端口的s参数，如图3(a)和图3(b)所示。可以看到，在1.6ghz～2.6ghz频段内，|s33|＝-15.8db,|s31|＝-1.14db,|s32|＝-7.14db,|s34|＝-15.42db@2.4ghz,并且|s31|和|s32|的相位相差90°，表明第三端口中的电磁波能量通过非对称正交混合耦合器，以功率分配比1:4且相位相差90°，分别传输到第二端口和第一端口。并且，两个端口|s12|＝-17.6db@2.4ghz，表明第一端口和第二端口之间具有较高的隔离度，确保通信和输能工作各不受干扰，如图4所示。并且，由于四个倒l开路枝节，二次谐波@4.8ghz可以很好地被抑制。

根据用户不同的需求，通信整流天线中的第一端口和第二端口有三种连接状态，使通信电路和整流电路同时或分别地进行独立良好工作。

状态1或状态2：通信电路连接到第二端口(因为第二端口的输出功率小)或整流电路连接到第一端口(因为第一端口的输出功率大)，而另一端口接50欧姆的匹配负载。此时，非对称正交耦合器在第二端口和第一端口的输出电压比为1:2(功率比1:4)，且相位相差90°的信号，提供给辐射贴片。此时天线在2.4ghz实现线极化工作，且两种状态下的线极化方向是相互垂直的，其天线的s参数如图5所示。可以看到，第一端口或第二端口可以在频段2.4ghz下很好地工作(|s11|和|s22|都小于-10db)，且两个端口具有高隔离度|s12|<-15db@2.4ghz。此时，天线可以很好地在工作频段内分别实现通信或整流工作。

状态3：根据功率比1:4，第二端口和第一端口同时连接通信电路和整流电路。此时，非对称正交耦合器的一个端口(第三端口或第四端口)提供信号给辐射贴片，使天线在2.4ghz很好地实现线极化工作，如图5所示。可以看到，第一端口和第二端口可以在2.4ghz下可以很好地工作(|s11|和|s22|都小于-10db)，并且第一端口和第二端口具有高隔离度(|s12|<-15db)。在此频段，该通信整流天线能够同时进行通信和输能工作，且接收到的射频能量1:4的分别输送到通信电路和整流电路中。这样，确保通信电路和整流电路都可以在最佳功率下工作，合理利用能量资源。

对于本实施例所提到的双通道通信整流天线，采用hfss和ads进行了联合仿真。该通信整流天线可以接收自由空间中的电磁波，并以1:4的功率分配比分别或同时传输到通信电路或/和整流电路。此时，自由空间中的射频能量到达整流电路中，经过前置电容、整流二极管转换成直流，在经过旁路电容滤除高次谐波，平滑输出直流电压。根据用户要求，通信电路在工作频率2.4ghz下获得10dbm的工作功率，而整流电路获得16dbm的输入功率(由于功率分配比1:4)。此时，在满足通信电路高信噪比的条件下，整流天线在工作频率2.4ghz，输入功率16dbm时，整流电路最高整流转换效率可达到73.9％，此时所接的负载为100欧姆，如图6所示。

通过采用非对称正交混合耦合器，双通道通信整流天线可以实现不同功率比的功率输出，保证整流电路和通信电路可以在最佳功率下工作，合理利用能量资源，避免能量浪费。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。