2.45GHz微波无线输电系统的RF能量接收装置

技术领域

本发明涉及天线设计技术领域，具体而言，涉及2.45GHz微波无线输电系统的RF能量接收装置。

背景技术

随着物联网(IoT)、可穿戴和便携式设备和智能化时代的发展，无线输电技术逐步走进人们的生活，微波无线输电技术因其传输电能距离相较于其他无线输电技术更远，近年来发展迅速。当超材料被用于微波无线输电技术中时，发现其可以提升系统中接收端天线的增益和方向性等性能指标，但是现有研究中对于接收端的设计都是将电磁超材料结构和接收端天线分开独立设计，二者单独设计后会导致电磁超材料和接收天线的适配性变差，使得接收天线中心频点漂移，而不能有效接收能量，如图1所示，若想找到最优位置点，需要不停的测试，接收天线102捕获空间中射频能量后，需要通过4cm长度的SMA转接头将射频能量传输到整流电路103里，随后被转换为直流。现有的整流电路Layout如图5所示，该结构尺寸为5cm*3.5cm*0.6cm，采用了SMA转接器连接方式，所以连接时必须要有足够的空间用于放置SMA转接器，因此在能量接收装置中，整流电路模块就占了很大的体积。这样的做法首先直接增加了电磁超材料和接收天线之间参数失配的可能性，浪费时间和成本，其次也增加了设计人员的工作量和实验验证的复杂度。

发明内容

本发明在于提供一种2.45GHz微波无线输电系统的RF能量接收装置，其能够缓解上述问题。

为了缓解上述的问题，本发明采取的技术方案如下：

本发明提供了一种2.45GHz微波无线输电系统的RF能量接收装置，包括接收天线，通过支撑柱平行固定于所述接收天线正面的电磁超材料，以及重叠焊接于所述接收天线背面的整流电路，所述电磁超材料和接收天线的间距为11mm，所述接收天线负极和整流电路的负极相接，所述接收天线正极和整流电路的正极通过镀银同轴馈线连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述电磁超材料包括：

基底材料Ⅰ；

设置于所述基底材料Ⅰ至少一个表面的分形结构层；

所述分形结构层包括八个平置于所述基底材料Ⅰ的分形结构单元，八个所述分形结构单元在一个圆形轨迹中环向均匀分布；

所述分形结构单元包括主干金属线、第一支干金属线、第二支干金属线和第三支干金属线，所述第一支干金属线为缺少一边的小方框结构，所述第二支干金属线为缺少一边的大方框结构，所述第三支干金属线为工字型结构，所述第一支干金属线、第二支干金属线和第三支干金属线沿所述圆形轨迹的直径方向依次排列布置，所述第一支干金属线和第二支干金属线的缺口部背向设置，所述第一支干金属线的中间段、所述第二支干金属线的中间段和所述第三支干金属线的中间段均垂直等分交叉连接于所述主干金属线，所述第三支干金属线的两端段长度相等，且分别沿所述第二支干金属线的两端段同向布置，所述第三支干金属线的端段与所述第二支干金属线的端段间隙配合；

八个所述分形结构单元的主干金属线交汇连接于所述圆形轨迹的圆心。

在本发明的一较佳实施方式中，其特征在于，

所述基底材料Ⅰ为正方形结构，其长L0＝5cm，宽W0＝5cm；

所述圆形轨迹的直径为2.9cm；

所述金属线的宽度W3＝0.3mm；

所述第一支干金属线的端段长度L4＝2mm，两端段的间距为2.9mm；

所述第二支干金属线的端段长度L6＝1.6mm；

所述第三支干金属线的端段长度L3＝1.3mm，两端段的间距为4.4mm，中间段与所述圆形轨迹的圆心的间距为14.85mm；

所述第一支干金属线的中间段和第二支干金属线的中间段的间距W7＝1.7m

所述第二支干金属线和第三支干金属线的端段之间的间隙W4＝0.1mm，中间段的间距W8＝2mm。

在本发明的一较佳实施方式中，所述接收天线包括：

基底材料Ⅱ；

设置于所述基底材料Ⅱ至少一个表面的天线结构层；

设置于所述天线结构层的正极的镀银馈线接口，用于通过所述镀银同轴馈线与所述整流电路的正极连接。

在本发明的一较佳实施方式中，其特征在于，

所述基底材料Ⅱ和天线结构层均为矩形结构；

所述基底材料Ⅱ的长L7＝5cm，宽W9＝5cm；

所述天线结构层的长L8＝27.46mm，宽W10＝37.26mm；

所述固定孔Ⅰ和固定孔Ⅱ的半径均为3mm；

所述镀银馈线接口的半径R2＝1.2mm，其圆心与所述天线结构层最近边的距离L9＝4.4mm；

所述固定孔Ⅱ的中心到所述基底材料Ⅱ的最近两直角边的距离均为5mm。

在本发明的一较佳实施方式中，所述整流电路包括：

基底材料Ⅲ；

设置于所述基底材料Ⅲ的固定焊盘、正极连接孔、输出的并联连接结构和输出的串联连接结构。

其中，整流电路相对于现有技术设计了正极连接孔、输出的并联连接结构、输出的串联连接结构和三个固定焊盘；

第一个固定焊盘将整流电路和接收天线的负极连接，同时起到将整流电路和天线固定的作用，剩下两个固定焊盘主要作用为固定作用；正极连接孔通过一根镀银同轴馈线将整流电路的正极和接收天线的辐射片连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述基底材料Ⅲ长5cm，宽3.5cm，厚0.6cm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所述的2.45GHz微波无线输电系统的RF能量接收装置，与当前能量接收装置相比，通过联合仿真设计，将电磁超材料和接收天线一体化设计，首先直接降低了设计成本和时间，有效降低了特性参数失配的风险，同时，对于射频能量接收端设计人员来说，减小了工作量和特性验证难度；

本发明所述的RF能量接收装置设计了新的整流电路接口和布局，使整流电路模块可以完美贴合整流天线设计，使二者的正负极不再需要连接线去连接，有效减小了接收端的体积，并且减小了连接线路能量损耗；

本发明将电磁超材料和接收天线的间距设计为11mm，此距离为本发明专利中使用的超材料与微带天线的最优匹配距离，有效优化S11参数，电磁超材料可以在11mm距离下起到最佳作用。

本发明的电磁超材料为独特的设计结构，为了使其在2.45Ghz附近感应出电场发挥作用，而设计成图3所示结构，其次电磁超材料长度和宽度是为适应接收天线的尺寸而设计，一般现有的超材料其发挥作用的带宽比较大，虽可以提升增益，但效果不明显，相对于现有电磁超材料，本发明的电磁超材料只在2.45Ghz附近感应出电场，因此针对本发明接收天线，其提升的增益更明显，可由增益3.07dBi提升至7.52dBi；

传统的接收装置的整流电路模块需要考虑接收天线和整流电路的工程性连接，需要设计具体的连接结构以及固定件，花费更多时间和成本，而本发明的接收端可以直接用镀银同轴馈线通过连接孔将整流电路和天线连接在一起，可以有效节省时间和成本；

本发明的微带天线整体尺寸长为5cm、宽5cm，中心频点为2.45GHz,S11参数为-28dB，增益为5.1dBi，发明中的电磁超材料结构和接收天线联合仿真能有效提升微带天线的性能参数，可以将微带天线单片S11参数-28dB优化至-35.09dB、增益3.07dBi优化至7.52dBi，使接收天线的性能得到了明显的优化提升，接收天线负极和整流电路的负极相接，接收天线正极和整流电路的正极通过镀银同轴馈线连接，减少了连接线的线路能量损耗，整流电路整体尺寸为长5cm、宽3.5cm，尺寸可以严格贴合接收天线尺寸。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是现有RF能量接收装置的侧视示意图；

图2是本发明所述RF能量接收装置的侧视示意图；

图3是本发明所述电磁超材料的结构示意图；

图4是本发明所述接收天线的结构示意图；

图5是现有技术所述整流电路的Layout示意图；

图6是本发明所述整流电路的Layout示意图；

图7是本发明所述电磁超材料和接收天线在固定11mm处联合仿真得到的2.45GHz处的S11参数曲线图；

图中：101-电磁超材料，102-接收天线，103-整流电路，201-电磁超材料，202-支撑柱，203-接收天线，204-整流电路，301-基底材料Ⅰ，302-主干金属线，303-第一支干金属线，304-第二支干金属线，305-第三支干金属线，306-固定孔Ⅰ，401-基底材料Ⅱ，402-固定孔Ⅱ，403-镀银馈线接口，404-天线结构层，601-固定焊盘，602-连接孔，603和604为输出的并联连接结构，605和606为输出的串联连接结构，607-基底材料Ⅲ。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图2，本发明公开了一种2.45GHz微波无线输电系统的RF能量接收装置，包括接收天线203，通过支撑柱202平行固定于接收天线203正面的电磁超材料201，以及重叠焊接于接收天线203背面的整流电路204，支撑柱202为塑料铆合柱。电磁超材料201和接收天线203的间距为11mm，该距离为本发明中电磁超材料和微带天线的最佳匹配距离，可以最大程度上增加天线的增益和优化S11参数，该距离通过支撑柱202保持固定。利用焊盘将整流电路204焊接在接收天线203的背面，同时做到二者负极相接，接收天线203正极和整流电路204的正极通过镀银同轴馈线连接，为了便于连接镀银同轴馈线，对整流电路204进行了重新布局，整流电路204设置有与镀银同轴馈线匹配的连接孔602，实现空间的有效利用，传统的整流电路模块需要考虑接收天线和整流电路的工程性连接，需要设计具体的连接结构以及固定件，需要花费更多时间和成本，而本接收端可以直接用镀银同轴馈线通过正极连接孔602将整流电路和天线连接在一起，可以有效节省时间和成本。设计的电磁超材料可有效提升2.45GHz微带接收天线的增益，其尺寸与微带接收天线相匹配。

请参照图3，电磁超材料201包括：

基底材料Ⅰ301，为FR4材料，表面为铺铜喷锡材质；

设置于基底材料Ⅰ301至少一个表面的分形结构层；

分形结构层包括八个平置于基底材料Ⅰ301的分形结构单元，八个分形结构单元在一个圆形轨迹中环向均匀分布；

分形结构单元包括主干金属线302、第一支干金属线303、第二支干金属线304和第三支干金属线305，第一支干金属线303为缺少一边的小方框结构，第二支干金属线304为缺少一边的大方框结构，第三支干金属线305为工字型结构，第一支干金属线303、第二支干金属线304和第三支干金属线305沿圆形轨迹的直径方向依次排列布置，第一支干金属线303和第二支干金属线304的缺口部背向设置，第一支干金属线303的中间段、第二支干金属线304的中间段和第三支干金属线305的中间段均垂直等分交叉连接于主干金属线302，第三支干金属线305的两端段长度相等，且分别沿第二支干金属线304的两端段同向布置，第三支干金属线305的端段与第二支干金属线304的端段间隙配合；

八个分形结构单元的主干金属线302交汇连接于圆形轨迹的圆心。

电磁超材料201的结构尺寸为5cm*5cm*0.6cm，即，电磁超材料的长宽为5cm,基板厚度为0.6cm，图中各尺寸参数为：L0＝5cm、L1＝2.9cm、L2＝5mm、L3＝1.3mm、L4＝2mm、L5＝1.9mm、L6＝1.6mm、W0＝5cm、W1＝2.9cm、W2＝15mm、W3＝0.3mm、W4＝0.1mm、W5＝3mm、W6＝10mm、W7＝1.7mm、W8＝2mm、R1＝3mm。电磁超材料起作用的是其独特的设计结构，长度和宽度为适应接收天线的尺寸而设计。该结构与微带天线固定间距在11mm处，相对于设计的微带天线单片仿真S11参数为-28dB、增益为5.1dBi,其联合仿真S11参数为-35.09dB、增益为6.3dBi,使接收天线的性能得到了明显的优化提升。

图3中直径为R1的4个孔为支撑柱202的固定通孔，与底部接收天线203通孔大小一致。

请参照图4，接收天线203包括：

基底材料Ⅱ401；

设置于基底材料Ⅱ401至少一个表面的天线结构层404；

设置于天线结构层404的正极的镀银馈线接口403，用于通过镀银同轴馈线与整流电路204的正极连接。

基底材料Ⅰ301和基底材料Ⅱ401设置有若干固定孔组，支撑柱202有多根，且与固定孔组一一对应；固定孔组包括设置于基底材料Ⅰ301的固定孔Ⅰ306，以及设置于基底材料Ⅱ401的固定孔Ⅱ402，固定孔Ⅰ306和固定孔Ⅱ402通过对应的支撑柱202固定连接。

接收天线203的结构尺寸为5cm*5cm*1.6cm，图4中各尺寸参数为：W9＝5cm、W10＝37.26mm、W11＝5mm、L7＝5cm、L8＝27.46mm、L9＝4.4mm、L10＝5mm、R2＝1.2mm。四角的过孔与电磁超材料201的过孔一致，一一对应，图中直径为R2的通孔为镀银馈线接口403，用于将接收天线203的辐射面和整流电路204的正极连接。

请参照图6，整流电路204包括基底材料Ⅲ607；

该整流电路204，相对于图5所示现有接收装置的整流电路做了结构创新与布局，设置于基底材料Ⅲ607的固定焊盘601、连接孔602、输出的并联连接结构603和604、输出的串联连接结构605和606均为应用于本发明接收端的结构设计。

固定焊盘601为邮票孔焊盘，其有三个，第一个固定焊盘601将整流电路204和接收天线203的负极连接，镀银同轴馈线和第二个固定焊盘601将整流电路204和接收天线203的正极连接。

整流电路204的结构尺寸为5cm*3.5cm*0.6cm，图6固定焊盘601有三个，该结构可以很好的将整流电路204平贴焊接在接收天线203背面，通过该焊盘结构，也实现了接收天线203和整流电路204的负极相连，通过直径为1mm连接孔602，利用镀银同轴馈线将整流电路4的正极输入和接收天线3的辐射片相连接，以上两个结构有效的实现了整流电路204和接收天线203的连接，省去了SMA转接器部分，提升了空间利用率。图中603和604为输出的并联连接结构，可以实现多个接收端模块的并联接法，605和606为输出的串联连接结构，可以实现多个接收端模块的串联接法，可以根据具体的使用功率要求选怎接收端模块数量和连接方法，有效增加了RF能量接收装置的实用灵活性。

请参照图7，为电磁超材料201和接收端天线在固定11mm处联合仿真得到的在2.45GHz处的S11参数，S11＝-35.09dB。

本发明2.45GHz微波无线输电系统的RF能量接收装置的工作过程如下：

本发明2.45GHz微波无线输电系统中，工作时系统能量发射端在空间中发射出射频能量，形成高频能量场。然后通过电磁超材料201和接收天线203在11mm处取得最优的能量接收效果，接收装置将反射功率降到最低，增大接收效率，能量通过电磁超材料201的透镜效应将能量聚焦于接收天线203的辐射片上，接收天线203对接收到的能量进行捕获，接着高频能量信号通过镀银同轴馈线将能量发送至整流电路204的输入端，最终通过高频整流管将射频能量整为直流电，再将直流能量发送到负载进行供电。

在整流电路204新式Layout布局中，可以通过603和604焊盘实现多级接收装置的并联实用，增大输出电流；还可以通过605和606焊盘实现接收装置的串联实用，增大输出电压，串联时为防止电压超过整流管的耐压值，最大串联数量不超过四个，这样的连接下，在不同的应用场景下提供不同数量的接收装置，可以做到输出的灵活多样。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。