一种基于环形耦合器的极化非敏感微波电能转换装置

本申请实施例涉及微波电能转化装置领域，特别涉及一种基于环形耦合器的极化非敏感微波电能转换装置。

背景技术：

1、随着物联网和无线通信的发展，数以亿计的无线设备(如传感器等)大量应用在工农业生产以及日常生活中。微波可以同时传输能量与信息，其被认为是无线设备能量供应的一种优秀的解决方案。微波电能转换装置需要对空间中的微波进行最大程度的转化，对于不同极化方向的微波都应该有较高的转化效率。因此亟需一种小型化电路，实现极化非敏感的微波电能转换装置。

2、论文“polarization-insensitive rectenna arrays with different powercombining strategies”中的解决方案采用2*2双极化天线阵列，接收水平和垂直极化分量，通过混合耦合器将能量平均分配给两个整流器，实现极化非敏感的微波电能转换。但是阵列贴片之间的耦合不利于系统的紧凑化设计。

3、论文“dual-polarized and multi-beam cross-mesh array antenna for rfenergy harvesting applications”中的解决方案采用交叉网格阵列天线提高微波电能捕获的效率，借助于交叉网格阵列天线的波束角度的倾斜能力，可以通过四个孤立的馈电点来产生四个不同倾斜的波束，从而提高其空间覆盖角度以及对不同极化方向的转化效率。但该解决方案存在结构复杂、集成度低并且对于微波极化方向较敏感的缺点。

4、公开号为cn114977525a的发明专利，名称为“基于金属互补结构电磁超表面的双频宽入射角极化不敏感能量收集器”，提供了一种基于金属互补结构，具体为完全旋转中心对称结构，其中，完全旋转中心对称结构包括一个位于旋转中心的中心开口、n个谐振槽和n个连接槽，该发明可实现高效率双频、极化非敏感微波电能转换。

5、环形耦合器输入端口连接两个正交极化的天线。端口之间的隔离与耦合可以满足不同极化方向输入的高效率转化。输入端口之间隔离保证了两个极化方向的独立；整流端口之间不同的相位差保证其直流混合输出的叠加。

技术实现思路

1、本申请实施例的目的在于提供一种基于环形耦合器的极化非敏感微波电能转换装置，旨在解决微波电能传输与转换中存在天线极化失配问题的问题。

2、为解决上述技术问题，本申请的实施例提供了一种基于环形耦合器的极化非敏感微波电能转换装置，包括：环形耦合器、第一整流器、第二整流器、特征阻抗为z0的λ0/4传输线、双极化天线；环形耦合器包含四个端口和连接两两端口且特征阻抗为的四段传输线，其中，环形耦合器的第一端口和第三端口之间传输线的长度为3λ0/4，环形耦合器的第一端口和第四端口之间、第二端口和第三端口之间、第二端口和第四端口之间传输线长度为λ0/4，极化天线包含水平极化端口和垂直极化端口；

3、水平极化端口和垂直极化端口分别通过环形耦合器的第一端口和第二端口与环形耦合器连接，第一整流器通过环形耦合器的第三端口与环形耦合器连接，第二整流器通过环形耦合器的第四端口与环形耦合器连接；特征阻抗为z0的λ0/4传输线分别和极化天线与环形耦合器连接；

4、双极化天线捕获由天线发出的空间微波电压并以预设比例分配至水平极化端口和垂直极化端口；特征阻抗为z0的λ0/4传输线用于提供90°的正交相位差，将自水平极化端口和垂直极化端口输出的两路电压信号转化为不同相位的两路电压信号；不同相位的两路电压信号分别由第一端口和第二端口输入至环形耦合器，经环形耦合器调整后，传输至第三端口和第四端口；不同相位的两路电压信号经由第三端口和第四端口所连接的第一整流器和第二整流器叠加后，将微波电能转化为直流输出。

5、本申请的实施例还提供了一种基于环形耦合器的极化非敏感微波电能转换方法，包括：

6、双极化天线捕获由天线发出的空间微波电压并以预设比例分配至水平极化端口和垂直极化端口；

7、特征阻抗为z0的λ0/4传输线将自水平极化端口和垂直极化端口输出的两路电压信号的相位差调整为90°得到不同相位的两路电压信号；

8、不同相位的两路电压信号分别由第一端口和第二端口输入至环形耦合器，经环形耦合器调整后，传输至第三端口和第四端口；

9、不同相位的两路电压信号经由第三端口和第四端口所连接的第一整流器和第二整流器叠加后，将微波电能转化为直流输出，完成微波电能转化。

10、本申请的实施例提供的一种基于环形耦合器的极化非敏感微波电能转换装置，可以实现对于空间中不同极化的微波电能捕获后的整流与功分，解决了微波电能转化中存在天线极化失配问题的现有技术中存在的集成度差、功率分配难的问题。本发明通过环形耦合器的耦合与相位调制特性，提高了系统的集成度并实现了功率分配。

11、在一些可选的实施例中，所述预设比例为与比例，为极化偏角。。

12、在一些可选的实施例中，所述特征阻抗为z0的λ0/4传输线分别和极化天线与环形耦合器连接，包括：特征阻抗为z0的λ0/4传输线的两端中一端与水平极化端口连接，另一端通过第一端口和环形耦合器连接。

13、在一些可选的实施例中，第一端口的输入电压信号为第二端口的输入电压信号为其中，vrx为空间微波电压。

14、在一些可选的实施例中，所述特征阻抗为z0的λ0/4传输线分别和极化天线与环形耦合器连接，包括：特征阻抗为z0的λ0/4传输线的两端中一端与垂直极化端口连接，另一端通过第二端口和环形耦合器连接。

15、在一些可选的实施例中，第一端口的输入电压信号为第二端口的输入电压信号为其中，vrx为空间微波电压。

技术特征：

1.一种基于环形耦合器的极化非敏感微波电能转化装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于环形耦合器的极化非敏感微波电能转化装置，其特征在于，所述预设比例为与比例，为极化偏角。

3.根据权利要求1所述的一种基于环形耦合器的极化非敏感微波电能转化装置，其特征在于，所述特征阻抗为z0的λ0/4传输线分别和极化天线与环形耦合器连接，包括：特征阻抗为z0的λ0/4传输线的两端中一端与水平极化端口连接，另一端通过第一端口和环形耦合器连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于环形耦合器的极化非敏感微波电能转化装置，其特征在于，第一端口的输入电压信号为第二端口的输入电压信号为其中，vrx为空间微波电压。

5.根据权利要求1所述的一种基于环形耦合器的极化非敏感微波电能转化装置，其特征在于，所述特征阻抗为z0的λ0/4传输线分别和极化天线与环形耦合器连接，包括：特征阻抗为z0的λ0/4传输线的两端中一端与垂直极化端口连接，另一端通过第二端口和环形耦合器连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于环形耦合器的极化非敏感微波电能转化装置，其特征在于，第一端口的输入电压信号为第二端口的输入电压信号为其中，vrx为空间微波电压。

7.一种基于环形耦合器的极化非敏感微波电能转化方法，基于如权利要求1至6中任一所述的基于环形耦合器的极化非敏感微波电能转化装置实现，其特征在于，所述方法包括：

技术总结本申请的实施例涉及微波电能转化装置领域，公开了一种基于环形耦合器的极化非敏感微波电能转化装置，包括：环形耦合器、第一整流器、第二整流器、特征阻抗为Z<subgt;0</subgt;的λ<subgt;0</subgt;/4传输线、双极化天线；环形耦合器包含四个端口和连接两两端口且特征阻抗为的四段传输线。本申请的实施例提供的一种基于环形耦合器的极化非敏感微波电能转换装置，可以实现对于空间中不同极化的微波电能捕获后的整流与功分，解决了微波电能转化中存在天线极化失配问题的现有技术中存在的集成度差、功率分配难的问题。技术研发人员：张浩,房家泰,曹善韡,陈华康,关赫受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18