本发明涉及整流天线领域，特别是指一种宽动态输入功率范围的紧凑型整流天线。
背景技术：
能量收集技术，即将周围的射频能量收集并转换为直流，为无线终端电子设备供能，是一项新兴的能量收集技术。随着通信技术的发展，世界各地的无线电发射器，包括移动电话基站、电视台发射基站等每时每刻都会发射出大量射频信号，成为了能量收集的丰富来源。作为无线能量收集系统的接收端——整流天线，用于将这些射频能量收集并转换为直流，为无线终端电子设备供能以替换电池，可提高现有电子系统和设备的能源使用效率。
然而，这些射频信号在空间各处的功率能量密度不同。在实际能量收集系统中，发射天线与接收天线之间的距离往往不是固定的，这样就造成整流天线接收到的功率随着距离的变化而变化。对于传统的整流天线，由于整流二极管的非线性特性，只能在某个功率处实现最大的整流转换效率(在固定的某处实现高效率工作)，不适用于移动电子设备。并且，在能量收集系统，由于空间中的能量密度难以预测，传统整流天线的这种劣势更为明显。
现有技术中为了收集空间中散布的各种功率密度的电磁波，通常采用阻抗压缩网络技术来减少由于输入功率变化而引起整流天线输入阻抗变化的敏感性。t.w.barton,j.gordonson,andd.j.perreault,提出的transmissionlineresistancecompressionnetworksformicrowaverectifiers,ieeemtt-sinternationalmicrowavesymposium(ims2014),tampa,usa,2014.。基于四路压缩阻抗网络，所提出的整流电路由一分四功分器，每个功分器都连接一个整流电路。由于压缩阻抗网络，整流电路在功率发生变化时可以减少输入阻抗的变化，维持良好的阻抗匹配。此整流电路可以在宽功率20-30dbm下整流转换效率>50％,实现高转换效率工作。但是，由于压缩阻抗网络，整流电路总是有几个支路，这样会增加整流天线的面积。
vladmarian,christianvollaire提出的“potentialsofanadaptiverectennacircuit,”ieeeantennaandwirelesspropagationletters,vol.10,pp.1393-1396,2011.包含一个普通接收天线和一个功率自适应的可重构整流电路。整流电路由适用于不同功率下的不同拓扑结构组成,即半波整流电路、倍压整流电路及桥式整流电路,。根据空间中不同功率的微波能量，通过切换一刀三掷开关的不同状态，使整流电路自动切换到最佳的整流拓扑结构，从而扩宽整流天线的工作功率。但是，由于整流电路存在几种拓扑结构，电路尺寸较大，且控制开关状态需要额外的偏置直流电路，不便于整流天线一体化的问题。
t.-c.lee提出的“2.4-ghzhigh-efficiencyadaptivepower,”ieeetrans.verylargescaleintegr.(vlsi)syst.,vol.22,no.2,pp.434–438,feb.2014.所提出的整流电路由两个差分型子整流器和一个控制电路组成。采用可重构结构，通过一个控制电路探测输入功率，并产生两种不同的信号来控制开关的通或断，使整流天线在不同的工作模式之间切换来扩宽工作功率。由于整流电路需要为开关提供偏置电路，不便于整流天线的集成，且由于引入的二极管会带来多余的损耗，造成整流电路的转换效率低。
huchengsun,zhengzhong,andyong-xinguo,“anadaptivereconfigurablerectifierforwirelesspowertransmission,”ieeemicrowaveandwirelesscomponentletters,vol.23,on.9,2013.为了避免偏置电路，所提出的整流电路采用自适应fet开关根据输入功率变换不同的整流拓扑结构来获得高整流效率。由于负载上不同的高或低于fet的阈值电压，fet开关实现通或断，使整流电路从单个二极管的半波整流拓扑结构变换到多个二极管的半波整流拓扑结构，扩宽整流电路的工作功率。但是，由于额外的fet开关的引入，整流电路的整流效率会降低。
亟待出现一种可解决上述问题的新型的整流电路。
技术实现要素：
本发明提出一种宽动态输入功率范围的紧凑型整流天线，解决了现有技术中整流电路结构复杂、效率低的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种宽动态输入功率范围的紧凑型整流天线，包括接收天线、整流电路和介质基板，所述介质基板下表面设置有金属地，接收天线和整流电路设置于介质基板的上表面，所述整流电路包括高功率整流二极管、低功率整流二极管；所述高功率整流二极管和低功率整流二极管可串联或并联连接整流电路。
进一步地，还包括电感和负载；所述高功率整流二极管与电感串联连接；所述低功率整流二极管与电感并联连接负载；所述接收天线连接整流电路；所述高功率整流二极管、低功率整流二极管分别正向连接整流电路。
进一步地，还包括前置电容和直通滤波器，所述前置电容设置于高功率整流二极管与接收天线之间；所述直通滤波器设置于低功率整流二极管和负载之间。
进一步地，还包括匹配电路；所述匹配电路设置于：前置电容之前；高功率整流二极管与电感之间；低功率整流二极管、扇形滤波器与负载之间。
其中，高功率整流二极管和低功率二极管可以为cmos整流二极管、肖特基整流二极管、fet场效应整流二极管、自旋二极管。
其中，所述高功率整流二极管和低功率二极管可以为桥式整流拓扑结构、半波整流结构、倍压整流结构。
其中，接收天线和整流电路可以为微带结构、介质集成波导或共面波导结构；所述接收天线可以为线极化、圆极化天线或单频率、多频率天线。
其中所述直通滤波器可以为扇形滤波器或旁路电容。
本发明公开的一种宽动态输入功率范围的紧凑型整流天线，小型化、结构简单，易于整流天线的集成；基于整流二极管在不同功率下不同的工作特性，采用两个工作于不同功率的整流二极管分别完成高功率和低功率的整流工作，扩展了整流天线的工作功率；在主干路上设置的电感使基波及高次谐波能量经过两个整流二极管完成整流工作，使直流通过扇形滤波器和负载，实现小型化和高效率整流工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：实施例的宽输入功率范围的整流天线结构示意图；
图2：本发明提出的宽输入功率范围的接收天线s参数曲线。
图3：本发明提出的宽输入功率范围的整流电路s参数曲线。
图4：本发明提出的宽输入功率范围的整流天线的整流转换效率曲线
其中：1、接收天线；2、整流电路；3、前置电容；41、高功率整流二极管；5、匹配电路；6、电感；42、低功率整流二极管；7、扇形滤波器；8、负载。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
本发明公开的一种宽动态输入功率范围的紧凑型整流天线，包括接收天线1、整流电路2和介质基板，所述介质基板下表面设置有金属地，接收天线1和整流电路2设置于介质基板的上表面，所述整流电路2包括高功率整流二极管41、低功率整流二极管42；所述高功率整流二极管41和低功率整流二极管42可串联或并联连接整流电路2。
进一步地，还包括电感6和负载8；所述高功率整流二极管41与电感6串联连接；所述低功率整流二极管42与电感6并联连接负载；所述接收天线1连接整流电路2；所述高功率整流二极管41、低功率整流二极管42分别正向连接整流电路2。
进一步地，还包括前置电容3和直通滤波器，所述前置电容3设置于高功率整流二极管41与接收天线1之间；所述直通滤波器设置于低功率整流二极管42和负载8之间。
进一步地，还包括匹配电路5；所述匹配电路5设置于：前置电容3之前；高功率整流二极管41与电感6之间；低功率整流二极管42、扇形滤波器与负载8之间。
其中，高功率整流二极管41和低功率二极管42可以为cmos整流二极管、肖特基整流二极管、fet场效应整流二极管、自旋二极管。
其中，所述高功率整流二极管41和低功率二极管42可以为桥式整流拓扑结构、半波整流结构、倍压整流结构。
其中，接收天线1和整流电路2可以为微带结构、介质集成波导或共面波导结构；所述接收天线1可以为线极化、圆极化天线或单频率、多频率天线。
其中，所述直通滤波器可以为扇形滤波器7或旁路电容。
如图1所示，接收天线1、用于将射频信号整流为直流信号的整流电路2和接地介质基板9；接收天线1与整流电路2在同一个带有金属地的介质基片上，介质基片可以选择多种材料，实现紧凑的结构；接收天线1为贴片微带天线，用于完成空间中射频信号的接收工作，其天线的极化形式不限，可以是线极化或圆极化。接收天线1通过前置电容3连接整流电路2；前置电容3、高功率整流二极管41、电感6、扇形滤波器7和负载8依次串联，低功率整流二极管42与电感6并联。
所述电感6在高功率整流二极管41与扇形滤波器7之间，与低功率整流二极管42支路并联。由于其隔交通直作用，用于阻碍射频及高次谐波能量流入到负载8，将射频及高次谐波能量返回到高功率整流二极管41和低功率整流二极管42中再次整流。而高功率整流二极管41整流出来的直流将通过输送到负载8。
整流电路2中的前置电容3和扇形滤波器7协同工作，滤除高功率整流二极管41和低功率整流二极管42非线性工作所引入的高次谐波，平整输出波形；整流电路2中的高功率整流二极管41和低功率整流二极管42将射频能量整流转换到直流能量；所述整流电路2中的匹配电路5实现接收天线1和整流电路2之间的良好匹配，实现高效率整流转换效率。
所述的高功率整流二极管41放置在整流电路2的主干路上，在前置电容3与电感6之间，用于高输入功率输入时的整流工作。
所述的低功率整流二极管42位于高功率整流二极管41后的一个分支路上，与电感6并联，用于低输入功率时的整流工作和高输入功率时整流高功率整流二极管41产生的高次谐波信号。
本发明接收天线1完成空间中射频信号的接收工作，再通过50ω微带线将射频能量传输到后端整流电路2中，完成射频信号与直流信号的转换。整流电路2的最前端为前置电容3，此电容不仅像输入滤波器一样抑制高次谐波，并且保护天线的阻抗不受反向电流的影响。整流电路2由高功率整流二极管41和低功率整流二极管42串联而成，完成射频信号到直流信号的整流。前面的高功率整流二极管41用于完成高功率射频能量的整流转换工作，后面的低功率整流二极管42用于低功率射频能量的整流转换工作。主支路中的电感6，由于其阻交通直作用，射频能量不能通过主干路，只能从低功率整流二极管42支路中通过，并且确保整流得到的直流能量输送到负载8。当输入功率为低功率时，高功率整流二极管41不能很好地整流工作，射频能量将通过高功率整流二极管41到达低功率整流二极管42，完成整流工作，再经过扇形滤波器7，进一步平整波形，滤除高次谐波，最终直流能量到达负载8。当输入功率为高功率时，高功率整流二极管41开始工作，实现射频到直流之间的转换。由于高功率整流二极管41整流出来的直流能量中还残余着高次谐波，其高次谐波能量远远低于基波能量，为低功率射频能量。所以，通过高功率整流二极管41整流出的高次谐波能量再次传输到低功率整流二极管42，完成高次谐波的整流转换工作。最后，整流出来的能量再经过扇形滤波器7传送到负载8。
由于主支路中的电感6具有阻交通直作用，使通过高功率整流二极管41和低功率整流二极管42整流出来的直流能量成功地流入到扇形滤波器7和负载8中，避免了多个分支整流电路2，实现小型化。并且，由于主支路中的电感6，确保射频能量经过高功率整流二极管41后能顺利通过低功率整流二极管42，完成整流工作。并使射频能量包括高次谐波能量成功地返回到高功率整流二极管41和低功率整流二极管42中再次整流，提高整流转换效率。
本实施例所述天线的具体尺寸为：l1＝24.4mm,l2＝16.4mm,l3＝41.2mm,l4＝18mm,c＝150pf,l＝22nh.d1为整流二极管avagohsms2860和d1为整流二极管avagohsms2850。
单频率接收天线1为印刷在接地基板rogers4003c上的矩形微带贴片天线，由50ω微带线馈电。该天线的s参数，如图2所示，在5.8ghz频段内|s11|＝-14.8db。接收天线1将接收自由空间中5.8ghz下的射频能量，通过50ω微带线馈入到整流电路2中。此时，根据输入功率的大小决定整流天线的工作状态，分为如下两种工作状态：
状态1：当输入功率为低功率时，高功率整流二极管41为整流二极管d1，avagohsms2860，不能正常工作。接收天线1接收到的射频能量经过整流二极管d1仍然是射频能量。由于电感6的隔交通直作用，射频能量从旁边的支路上流过，经过低功率整流二极管42为整流二极管d2，avagohsms2850，此时整流二极管d2能正常完成整流工作，实现射频能量到直流能量的转换。这时，整流所得到的直流能量将经过扇形滤波器7输入到负载8。而整流二极管d2整流所得到的高次谐波由于主干路电感6和扇形滤波器7的阻碍作用，将再次返回到整流二极管d2中进行整流，从而提高整流效率。为了方便比较，只有低功率整流二极管42的整流天线的s参数和整流转换效率分别如图3和4所示，可以看到在输入功率为0-10dbm时，整流天线可实现良好的匹配，|s11|<-10db，在此输入功率下，整流效率可达50.4％～65.48％。
状态2：当输入功率逐渐升高，高功率整流二极管41为整流二极管d1，avagohsms2860，可以正常工作。接收天线1接收到的射频能量经过整流二极管d1整流后变成了直流能量。但是，由于整流二极管的非线性特性，也会有高次谐波分量。此时，由于主干路上电感6的隔交通直作用，整流二极管d1整流后的直流将直接经过扇形滤波器7输送到负载8。由于高次谐波能量比基波能量低，高次谐波分量将流入到低功率整流二极管42为整流二极管d2进行再次整流，整流出来的直流将和整流二极管d1整流后的直流一起输送到负载8。同样地，为了方便比较，只有高功率整流二极管41的整流天线s参数和整流转换效率分别如图3和4所示，可以看到在输入功率为10-20dbm时，整流天线可实现良好的匹配，|s11|<-10db，在此输入功率下，整流效率可达50.8％～64.53％。
对于本实施例中的实现宽动态输入功率范围的整流天线，采用hfss和ads进行了联合仿真。根据输入功率的大小，整流电路2将自适应地切换不同功率的整流二极管工作，扩宽了整流天线的工作功率。并利用主干路上的电感6，整流二极管整流转换所得到的直流可顺利地通过扇形滤波器7到达负载8，而射频能量和整流所引入的高次谐波则被返回到整流二极管中重新整流，进一步提高了整流效率。如图3所示，所设计的整流天线可在输入功率0-20dbm范围内，实现良好的匹配(||s11|<-10db)。如图4所示，在此工作功率范围内，所设计的整流天线的整流转换效率可达50.1％～65.78％，。
本发明公开的一种宽动态输入功率范围的紧凑型整流天线，小型化、结构简单，易于整流天线的集成；基于整流二极管在不同功率下不同的工作特性，采用两个工作于不同功率的整流二极管分别完成高功率和低功率的整流工作，扩展了整流天线的工作功率；在主干路上设置的电感6使基波及高次谐波能量经过两个整流二极管完成整流工作，使直流通过扇形滤波器7和负载8，实现小型化和高效率整流工作。
当然，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员应该可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
1.一种宽动态输入功率范围的紧凑型整流天线，包括接收天线、整流电路和介质基板，所述介质基板下表面设置有金属地，接收天线和整流电路设置于介质基板的上表面，其特征在于：所述整流电路包括高功率整流二极管、低功率整流二极管；所述高功率整流二极管和低功率整流二极管可串联或并联连接整流电路。
2.根据权利要求1所述的一种宽动态输入功率范围的紧凑型整流天线，其特征在于：还包括电感和负载；
所述高功率整流二极管与电感串联连接；所述低功率整流二极管与电感并联连接负载；
所述接收天线连接整流电路；
所述高功率整流二极管、低功率整流二极管分别正向连接整流电路。
3.根据权利要求1或2所述的一种宽动态输入功率范围的紧凑型整流天线，其特征在于：还包括前置电容和直通滤波器，所述前置电容设置于高功率整流二极管与接收天线之间；所述直通滤波器设置于低功率整流二极管和负载之间。
4.根据权利要求3所述的一种宽动态输入功率范围的紧凑型整流天线，其特征在于：还包括匹配电路；
所述匹配电路设置于：
前置电容之前；高功率整流二极管与电感之间；低功率整流二极管、扇形滤波器与负载之间。
5.根据权利要求4所述的一种宽动态输入功率范围的紧凑型整流天线，其特征在于：高功率整流二极管和低功率二极管可以为cmos整流二极管、肖特基整流二极管、fet场效应整流二极管、自旋二极管。
6.根据权利要求5所述的一种宽动态输入功率范围的紧凑型整流天线，其特征在于：所述高功率整流二极管和低功率二极管可以为桥式整流拓扑结构、半波整流结构、倍压整流结构。
7.根据权利要求6所述的一种宽动态输入功率范围的紧凑型整流天线，其特征在于：接收天线和整流电路可以为微带结构、介质集成波导或共面波导结构；所述接收天线可以为线极化、圆极化天线或单频率、多频率天线。
8.根据权利要求7所述的一种宽动态输入功率范围的紧凑型整流天线，其特征在于：所述直通滤波器可以为扇形滤波器或旁路电容。
技术总结