一种自主调节带宽的微带八木整流天线及应用

本发明涉及一种自主调节带宽的微带八木整流天线及应用，属于物联网传感器领域。

背景技术：

1、近年来，随着物联网领域的飞速发展，物联网传感器的数量呈指数式爆炸增长，伴随而来的就是传感器设备的供能和续航问题；针对该问题，目前大部分研究发展了以窄带物联网(nb-iot)、低功耗蓝牙(ble)为代表的低功耗物联网技术。

2、微带八木天线为无线通信领域常用的收发信号设备，一般包括有源振子、引向天线和反射器，有源阵子用于发射或者接收一定频率的信号，引向天线用于定向收发并增益信号，发射器用于反射后端的微波能量，减少损耗。

3、但是上述技术仍然没有摆脱传统物联网传感器的痛点：1)需要使用电池进行供电，并且需要人工定期进行更换电池，这不仅耗费了大量的财力、物力、人力，废旧电池更是对环境造成了巨大的压力；2)为了节约电能，目前市场上所采用的传感器仅支持窄带进行通信，这就造成了通信速率慢，信息处理效率低等问题。

4、此外，目前市场上所用的传感器无法根据接收到的信息量大小进行接收带宽的动态调整，造成了两者之间通信的拥堵；如cn106340950b虽然采集传感器网络周围的振动能量转化为电能，并根据传感器网络中所需的电流控制电子开关切换电路在第一电容和超级电容之间进行切换以供电，但是仍然无法实现根据信息量大小对带宽进行动态调整。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供一种自主调节带宽的微带八木整流天线，能够应用于物联网传感器，包括微带八木天线和整流器，所述微带八木天线包括第一基板、有源振子、反射器、引向天线，所述反射器印制于所述第一基板的底边；

2、所述有源振子印制于所述反射器上方，所述有源振子的形状为旋转180度的“l”形且底部穿过所述反射器连接所述第一基板下方的底边；

3、多个所述引向天线印制于所述有源振子上方且外接有电阻分压电路，所述电阻分压电路与所述整流器连接且能够分压到各个所述引向天线，每个所述引向天线均设有断点，每个所述断点均跨接有mos管，所述mos管能够控制每个所述引向天线的开闭；

4、所述整流器包括第二基板且连接于所述第一基板的下方，所述第二基板从上方至下方依次印制有微带线和阻抗变化器，所述阻抗变化器的左侧或右侧还连接印制有高次谐波滤波器；所述阻抗变化器能够将整流器的输入阻抗与八木天线的输出阻抗进行匹配，使更多的微波能量进入到二极管中；高次谐波滤波器能够将高次谐波返回到整流器进行再次整流，提高整流器的整流效率。

5、所述微带八木天线和所述整流器连接处还设有馈电口。

6、在本发明的一种实施方式中，多个所述引向天线均为直线型引向天线且平行；优选的，所述引向天线数量为三个；三个所述引向天线共跨接有四个mos管，两个所述引向天线分别跨接第一mos管和第四mos管，另一个所述引向天线跨接有并联的第二mos管和第三mos管；所述第一mos管、第三mos管、第四mos管均为p沟道耗尽型；所述第二mos管为n沟道增强型；所述第一mos管、第三mos管、第四mos管的关断电压分别为1.5v、1.5v、2.5v；所述第二mos管的开启电压为3.5v。

7、在本发明的一种实施方式中，所述阻抗变化器为三个不同长度的阻抗变化器；每个所述阻抗变化器均连接有高次谐波滤波器。

8、在本发明的一种实施方式中，所述第一基板和所述第二基板的材质均为环氧树脂玻璃纤维板，相对介电常数εr＝4.4，介质损耗角为0.02。

9、需说明的是，本发明所述的有源振子、反射器、引向天线，不限于在第一基板的单面/双面印制，保护范围应以权利要求书记载的为准。

10、本发明还提供了一种自主调节带宽的微带八木整流天线在物联网传感器中的应用，包括一种微带八木整流天线自主供电调节带宽的方法，所述方法包括如下步骤：

11、步骤一：由发射端根据实际信息处理量发射出相应功率的信号，由所述微带八木天线的有源振子进行接收；

12、步骤二：所述整流器将微波信号整流成直流电压并被电阻分压电路采集，经电阻分压电路分压后再输出到微带八木天线的各个引向天线，使得每个引向天线的栅极均能分配到不同的电压；同时，整流器整流的直流电压也传输到传感器进行供电；各个引向天线分到的电压大小成等差数列，且最大值不会超过整流器整流出的总电压大小。

13、步骤三：每个引向天线上的mos管均设有不同的开启或关断电压并能各自根据分配到的电压大小自主执行开启或关闭，从而控制每个引向天线处于连通或断开的状态；

14、不同的引向天线的连通或断开组合会改变天线表面的电流流动方式，使得天线的谐振点发生改变，从而产生不同的带宽大小，由此实现自主调节信号带宽。

15、在本发明的一种实施方式中，所述步骤一中还利用仿真软件ansys hfss对所述微带八木天线的结构尺寸进行优化。

16、在本发明的一种实施方式中，mos管分为p沟道耗尽型和n沟道增强型，分别有高电压关断和高电压开启特点，并且mos管对信号的影响较小，开启时可以视为理想导体，关断时能够视为完全绝缘。

17、需注意，本发明的“上方”、“下方”均以第一基板作为参照，以第二基板相对于第一基板的方向为所述“下方”，以第一基板相对于第二基板的方向为所述“上方”；第一基板的所述底边为第一基板上用于和第二基板连接的边。

18、本发明的有益效果：

19、1、本发明设置有整流器连接微带八木天线，能够接收外部环境中的微波能量转换成直流电压，从而能够直接对传感器供电，节约电能；同时直流电压利用电阻分压电路分压和mos管的组合作用控制引向天线的开闭，构成多种开闭组合，以调节不同的带宽大小，解决了传统传感器需要有源供电、通信带宽窄不可调节的问题。

20、2、本发明设置其中三个所述引向天线共跨接有四个mos管且其中一个引向天线并联有2个mos管，能够应对多种带宽大小调节情况，适用性广，范围更精确。

21、3、本发明利用整流器来将微波能量转变直流输出，解决了传统八木天线无法将微波能量转变成直流输出的缺陷。

22、4、本发明使用微带八木天线，该材料制作简单、抗干扰能力强、成本低廉，并且具有高增益和较强的方向性。

23、5、本发明选用氮化镓高效整流器，该整流器的效率在该系统的工作范围内可以达到50％以上，峰值效率接近80％，整流效率高。

技术特征：

1.一种自主调节带宽的微带八木整流天线，能够应用于物联网传感器，其特征在于，包括微带八木天线和整流器，所述微带八木天线包括第一基板、有源振子、反射器、引向天线，所述反射器印制于所述第一基板的底边；

2.根据权利要求1所述的一种自主调节带宽的微带八木整流天线，其特征在于，多个所述引向天线均为直线型引向天线且平行。

3.根据权利要求2所述的一种自主调节带宽的微带八木整流天线，其特征在于，所述引向天线数量为三个。

4.根据权利要求3所述的一种自主调节带宽的微带八木整流天线，其特征在于，三个所述引向天线共跨接有四个mos管，两个所述引向天线分别跨接第一mos管和第四mos管，另一个所述引向天线跨接有并联的第二mos管和第三mos管。

5.根据权利要求4所述的一种自主调节带宽的微带八木整流天线，其特征在于，所述第一

6.根据权利要求5所述的一种自主调节带宽的微带八木整流天线，其特征在于，所述第一

7.根据权利要求1所述的一种自主调节带宽的微带八木整流天线，其特征在于，所述阻抗变化器为三个不同长度的阻抗变化器；每个所述阻抗变化器均连接有高次谐波滤波器。

8.根据权利要求1所述的一种自主调节带宽的微带八木整流天线，其特征在于，所述第一基板和所述第二基板的材质为环氧树脂玻璃纤维板，相对介电常数εr＝4.4，介质损耗角为0.02。

9.如权利要求1所述的一种自主调节带宽的微带八木整流天线在物联网传感器中的应用，包括一种微带八木整流天线自主供电调节带宽的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种自主调节带宽的微带八木整流天线在物联网传感器中的应用，其特征在于，所述步骤一中还利用仿真软件ansys hfss对所述微带八木天线的结构尺寸进行优化；所述整流器选用氮化镓高效整流器，包括宽带阻抗变化器、氮化镓二极管和二三次谐波滤波器。

技术总结
本发明涉及一种自主调节带宽的微带八木整流天线及应用，属于物联网传感器领域。本发明能够应用于物联网传感器，包括微带八木天线和整流器，所述微带八木天线包括第一基板、有源振子、反射器、引向天线，所述整流器包括微带线和阻抗变化器。本发明实现了自主供电，节约电能；同时利用电阻分压电路和MOS管的组合，同时直流电压利用电阻分压电路分压和MOS管的组合作用控制引向天线的开闭，构成多种开闭组合，以调节不同的带宽大小，解决了传统传感器需要有源供电、通信带宽窄不可调节的问题。

技术研发人员：邵波,李杨,姚俊超,李秋璇,黄韧频,王霄,陈治伟,敖金平
受保护的技术使用者：江南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13