CN102097503B - 太阳能电池集成天线的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了太阳能电池集成贴片天线的装置，具体为利用太阳能电池的一部分作为贴片天线的基底。贴片天线单元与太阳能电池顶电极分离，可以单独设计。太阳能电池和贴片贴片天线共用地平面。或者利用太阳能电池的顶电极作为贴片天线地平面。本发明可以减小集成装置的体积，减少设计限制。

Description

太阳能电池集成天线的装置

技术领域

本发明涉及贴片天线或微带天线(patch antenna or Microstrip antenna)和太阳能电池领域，具体为本发明实现了贴片天线和太阳能电池集成的装置。

背景技术

无线通讯利用电磁波在空间的传输实现通讯，无线通讯中天线用来向空间辐射和接收电磁波。近年来无线通讯的应用越来越广泛，如GSM，WLAN等。随着物联网的发展全球定位(GPS)，ZIGBEE，射频标签(RFID)等技术的应用会更加普及，这些应用希望设备小型化成本低廉，其中天线设计是实现小型化和降低成本的关键因素。例如RFID的构成主要由天线加芯片组成，当前集成电路技术已经使芯片体积变得极其微小。另外虽然无线通讯可以带给人们移动通讯的便利，但也面临移动终端供电的问题，目前移动终端的供电主要依靠可充电电池或一次性电池。而太阳能电池直接利用太阳光转换为电能，不受供电电源的限制，清洁环保，利用太阳能供电可以改善无线终端的供电问题。例如有源RFID设备通常内部配有电池作为电源，如果电池耗尽则该RFID不能工作需要更换电池或直接更换新的RFID。太阳能电池的输出功率与太阳照射面积成正比，这就使太阳能电池需要一定的体积，同时无线终端设备也需要天线，这样同时使用太阳能电池和天线会增加无线终端的体积。而在ZIGBEE和RFID领域终端节点的体积是至关重要的。

在天线领域有偶极子天线、贴片天线、抛物面天线等多种形式，其中贴片天线占用空间小便于与面状承载物集成、容易形成阵列，而具备优势。如图1所示的常用贴片天线结构包括地平面(Ground)，基底(Substrate)厚度h相对介电常数εr，贴片(Patch)长L宽W厚t，馈线(Feed)与贴片连接。

太阳能电池近年来获得长足发展，其中基于硅材料的单晶硅、多晶硅电池得到广泛应用，基于各种化合物的薄膜型太阳能电池也得到应用。太阳能电池的基本结构如图2所示，由前电极(Front Contact)，背电极(Back Contact)，n型半导体材料、p型半导体材料构成，光照从前电极入射，商用太阳能电池的转换效率可以达到10％甚至20％以上。

为了利用太阳能电池供电的同时减小天线的占用体积，美国专利US6395971公开了集成天线和太阳能电池的装置。该发明利用太阳能电池作为天线贴片(Patch)，太阳能电池与天线基底和地平面结合在一起形成层叠结构。馈电方式可以采用孔径耦合馈电方式(ApertureCouple Feeding)包括天线贴片层即太阳能电池、基底层、带孔径的地平面层、馈电微带线网络层。

发明人对以上现有技术研究发现，太阳能电池作为天线单元(Patch)使用需要另外增加基底层和地平面层会使装置的体积变大，制作工艺复杂，不利于携带、安装、制造。另外天线单元的尺寸与天线的谐振频率相关，而太阳能电池的功率输出也与电池的面积相关，例如在高频段天线单元的尺寸会变小从而导致太阳能电池的转换功率减小导致供电能量不能满足需要。

发明内容

本发明为了克服现有技术的缺点，发明了太阳能电池与天线集成的装置，具体为：

一种集成太阳能电池和贴片天线的装置，该装置包括：太阳能电池顶电极，贴片天线单元(Patch)，太阳能电池半导体基底，地平面。该装置具备以下特征：在所述太阳能电池半导体基底内部形成太阳能电池半导体基底N型区、P型区和高阻区，所述贴片天线单元和太阳能电池顶电极位于所述太阳能电池半导体基底上方，其中贴片天线单元位于所述高阻区上方，太阳能电池顶电极位于所述N型区上方。贴片天线和太阳能电池共用所述地平面。

本发明进一步包括：射频馈电连接器，所述射频馈电连接器连接贴片天线单元和射频信号端以及地平面，使贴片天线单元与地平面形成谐振回路。

本发明进一步的包括，太阳能电池为PIN型太阳能电池，其中太阳能电池半导体基底中的I型区域作为高阻区。

本发明更进一步的包括：在地平面底部附着电路板，在所述电路板底层附着电子器件。本发明进一步的包括：采用孔径耦合馈电方式(Aperture-coupled Feed)：以所述太阳能电池半导体基底高阻区作为贴片天线上层基底，在所述地平面上形成耦合孔，在所述地平面下面附着电路板作为贴片天线下层基底，在所述电路板底层形成馈电微带线，同时电路板底层附着电子器件。

一种太阳能电池集成贴片天线的装置，该装置包括：太阳能电池顶电极，太阳能电池半导体基底，贴片天线基底，贴片天线单元，地平面。其中所述贴片天线单元位于所述贴片天线基底上面，所述太阳能电池半导体基底包括N型区、P型区，所述太阳能电池顶电极位于所述N型区上面。太阳能电池和贴片天线共用地平面。

一种太阳能电池集成贴片天线的装置，该装置包括：贴片天线单元，贴片天线基底，太阳能电池顶电极，太阳能电池半导体基底，太阳能电池地平面。其中在所述太阳能电池顶电极上面形成所述贴片天线基底，在所述贴片天线基底上形成所述贴片天线单元，利用所述太阳能电池的顶电极作为所述贴片天线的地平面。所述贴片天线基底和贴片天线单元采用透明材料制作。

本发明通过使天线与太阳能电池集成，减少了装置的体积，使贴片天线单元和太阳能电池顶电极尺寸不相关，有利于减少无线设备应用太阳能电池供电的体积，方便携带、安装。

附图说明

图1贴片天线结构示意图

图2太阳能电池结构示意图

图3本发明装置1侧面结构图

图4本发明装置1顶视结构图

图5本发明装置2侧面结构图

图6本发明装置3侧面结构图

图7本发明装置4侧面结构图

图8本发明装置4顶视结构图

图9本发明装置5侧面结构图

图10本发明装置6集成系统结构图

图11贴片天线参数关系曲线-方向性(Directivity)vs基底厚度(h/λ0)

图12贴片天线参数关系曲线-基底厚度(h/λ0)vs效率(Efficiency)and带宽(Bandwith)

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明采用的具体实现方式：

本发明为克服现有技术的缺点，采用了新的实现结构。如图1所示的贴片天线基本结构和图2所示的太阳能电池结构，发现他们具备相似的结构：顶部由金属或其他导体构成顶电极或贴片天线单元，中间为天线基底或太阳能电池半导体基底，其中太阳能电池半导体基底通常包括N型半导体区和P型半导体区，并形成PN结。底部都为地平面。利用太阳能电池的半导体基底作为天线的基底就可以实现太阳能电池为基础的贴片天线集成。现有的常用的多晶硅、单晶硅、薄膜太阳能电池的半导体材料特性不适合直接作为贴片天线的基底材料，主要是因为太阳能电池用硅材料的电导率很低通常在10Ω.cm左右，这么低的电导率作为贴片天线基底材料会导致天线的发射效率大大降低而无法使用。下面结合实施例具体说明本发明的实现方法：

实现方式1：

装置1实现方式：

图3为装置1的侧面结构图，包括：10太阳能电池顶电极，11太阳能电池半导体基底的N型区，12太阳能电池半导体基底的P型区，13太阳能电池半导体基底的高阻区，14地平面，15贴片天线单元(Patch)，16太阳能电池半导体基底，17射频馈电连接器

以上实现装置为了克服普通太阳能电池半导体基底材料不能作为天线基底材料的问题，在制作太阳能电池过程中通过改变半导体基底材料的扩散过程(Diffusion)，在太阳能电池半导体基底16上形成如图所示的N型、P型区(11，12)和高阻区(13)，高阻区可以通过在太阳能电池半导体基底材料特定区域注入特殊粒子，例如锰(Mn)来实现。在同一块太阳能电池半导体基底材料上形成N型区、P型区、高阻区，其中N型区和P型区形成PN节，光生载流子通过太阳能电池顶电极10与负载和地平面14形成电流回路。对于硅太阳能电池，高阻区的电阻率可达到10KΩ.cm的水平，适合作为贴片天线的基底材料。高阻区13作为贴片天线的基底，在13上面制作贴片天线单元(Patch)15，高阻区的底部连接地平面14。射频馈电连接器17连接贴片天线单元15和射频信号输入端，射频馈电连接器17底部连接地平面14。

本发明实现装置1的顶部结构如图4所示包括：10太阳能电池顶电极，13太阳能电池基底材料的高阻区，15贴片天线单元(Patch)，17射频馈电连接器。

太阳能电池顶电极环绕贴片天线单元，他们之间分别在宽度方向有的间隙，在长度方向有

的间隙距离。贴片天线单元的尺寸为长L宽W。

下面以谐振频率f_r＝10GHZ为例说明贴片天线参数W、L、

h、的取值，高阻区的相对介电常数ε_r＝11，基底厚度h＝500um，

根据谐振频率计算宽度W：

$W=\frac{1}{2\mathrm{fr}\sqrt{\mathrm{\μ}0\mathrm{\ϵ}0}}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ϵr}+1}}=\frac{C0}{2\mathrm{fr}}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ϵr}+1}}=0.612\mathrm{cm}$

计算等效介电常数ε_reff

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{reff}}=\frac{\mathrm{\ϵr}+1}{2}+\frac{\mathrm{\ϵr}-1}{2}\frac{1}{\sqrt{1+12\frac{h}{w}}}=11$

计算

$\▿L=0.412\·h\frac{({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{reff}}+0.3)(\frac{W}{h}+0.264)}{({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{reff}}-0.258)(\frac{W}{h}+0.8)}=0.0214\mathrm{cm}$

计算实际长度L

$L=\frac{\mathrm{\λ}}{2}-2\▿L=0.4095\mathrm{cm}$

计算得到的

为贴片天线单元与太阳能电池顶电极长度间隙的最小值，通常取大于最小值的数值以保证制作和材料造成的误差。而

的取值这里不作具体限制，可以根据W的值和太阳能电池的结构需要在允许的范围内灵活取值。对于基底材料厚度h，太阳能电池基底材料的厚度通常为几百微米(um)，理论上天线的基底厚度可以取比太阳能电池基底大的值。但为了加工方便这里取相同厚度。对于厚度h与增益(Directivity)的关系见图11所示(λ0为真空波长，对f＝10GHZ，λ0＝3cm)，随着h值的减小增益小幅度平缓下降，在h＝300um处可达5db的增益可以满足大部分应用场景的需要。对于厚度h与天线效率(efficiency)和带宽(Bandwith)的关系如图12所示，随着厚度的减小天线效率会提高，而带宽会减小。对于如无线传感、RFID等应用场合，对带宽的要求较小，而希望天线效率较高以节约功耗。对于h＝300um的厚度，带宽可以达到0.5％左右对10GHZ频段达到50MHZ。射频馈电连接器17与patch单元的连接点选择与传统贴片天线的馈电设计方法相同。

对于太阳能电池的基底材料厚度通常在几百微米，这样可以在转换效率优化的前提下节约半导体材料。太阳能电池的输出功率在太阳辐射等级不变的条件下与太阳能电池的面积成正比。如果取装置表面积为5X5cm2，如果去除2X2cm2的高阻区域，在AM1.5光照条件下常规太阳能电池以10％的转换效率估算可以输出(25-4)X10mw＝200mw的功率，太阳能电池的输出功率给无线装置供电，也可以给充电电池充电存储电能以供无线装置使用。

以上为了说明本发明装置1的结构和设计参数采用举例说明的方法，本领域技术人员可以根据实际需要按照本发明揭示的设计方法得到具体的结构参数，而不应理解为对本发明的限制。

装置1可以在较小的体积上实现太阳能电池基底集成贴片天线，避免了现有技术在天线基底上叠加太阳能电池造成的体积的增加。同时天线贴片与太阳能电池尺寸可分别设计，避免了一体化带来的设计限制。

更进一步的，另一种集成天线的装置2实现方式：

如图5所示，装置2包括：

101太阳能电池顶电极，102太阳能电池半导体基底的N型区，103太阳能电池半导体基底的I型高阻区，104太阳能电池半导体基底的P型区，105地平面，106射频馈电连接器，107贴片天线单元，108PIN型太阳能电池半导体基底

装置2以PIN型太阳能电池为基础，PIN型太阳能电池在N型和P型半导体之间制作一个本征半导体层I。由于本征半导体没有进行参杂或参杂极小具有很高的电阻率，这里把I型区域103作为高阻区，装置2使用PIN型太阳能电池基底的I型区域103作为贴片天线的基底。太阳能电池半导体基底在I层基础上形成N型区102和P型区104。装置2的顶部电极的设计和基底厚度h的选择方法同装置1的描述。

更进一步的，在装置1基础上形成应用装置3

如图6所示，装置3进一步包括：18电子器件，19电路板，20固定支点，电路板19附着在装置1的地平面14下面，电路板上有电子器件18，射频信号器件与射频馈电连接器17连接。电路板上可以根据需要放置各种电子器件，也可以放置充电电池、备用电池等器件。装置3通过固定支点20与固定物表面连接固定。

更进一步的，在装置1的基础上采用孔径耦合馈电方式(Aperture-coupled feed)形成装置4，装置4的侧视结构如图7所示，进一步包括：

21馈电微带线，22地平面耦合孔

在装置1的基础上在地平面14上形成地平面耦合孔22，电路板19附着在地平面14下面，在电路板19的底层对应地平面耦合孔22的下方形成馈电微带线21。电路板19作为地平面14下面的下层基底材料，电路板可以用FR4材料制作也可根据需要选用其他材质制作，电路板底层在形成馈电微带线21的同时还可以放置其他电子器件。太阳能电池半导体基底的高阻区13作为贴片天线的上层基底。

图8为装置4的顶视结构图，地平面耦合孔22位于贴片天线单元15的长度L的中央，馈电微带线21位于贴片天线单元15宽度W的中央。地平面耦合孔22的尺寸和馈电微带线21的宽度的具体取值参照已有的贴片天线孔径耦合馈电设计方法。

装置4因采用孔径耦合馈电方式利用太阳能电池的半导体基底的高阻区作为贴片天线的上层基底，同时又使用电路板作为下层基底，节省了射频馈电连接器，在装配上具有优势。

实现方式2：

装置5实现方式：

装置5如图9所示，包括：

201太阳能电池顶电极，202太阳能电池半导体基底的N型区，203太阳能电池半导体基底的P型区，204地平面，205贴片天线单元，206射频馈电连接器，207贴片天线基底，208太阳能电池半导体基底

装置5与装置1和装置2的区别在于，贴片天线基底207是单独的区域不再与太阳能电池共用基底材料。207可以独立选择适合做贴片天线的基底材料如：LTCC等。为了方便顶部贴片天线单元205和太阳能电池顶电极201的加工制作，贴片天线基底207和太阳能电池半导体基底208的厚度尽量取相等的值。装置5的贴片天线的参数具体设计方法参考装置1的描述。

实现方式3：

装置6实现方式：

装置6如图10所示，包括：

301贴片天线单元(Patch)，302贴片天线基底，303太阳能电池顶电极，304太阳能电池半导体基底N型区，305太阳能电池半导体基底，306太阳能电池半导体基底P型区，307太阳能电池地平面，308射频馈电连接器

装置6以太阳能电池整体为基础，在太阳能电池顶电极303上覆盖贴片天线基底302，在302上制作贴片天线单元301。由于太阳能电池的顶部需要接收阳光，所以301和302选择透明材料，301可以选择导电氧化物ITO制作，302可以选择广泛用来封装太阳能电池的透明材料EVA制作形成。太阳能电池顶电极303同时作为贴片天线的地平面。射频馈电连接器308连接射频信号和贴片天线单元同时连接贴片天线的地平面303形成射频谐振回路。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。

Claims (8)

1.一种集成太阳能电池和贴片天线的装置，该装置包括：太阳能电池顶电极，贴片天线单元(Patch)，太阳能电池半导体基底，地平面；该装置具备以下特征：在所述太阳能电池半导体基底内部形成太阳能电池半导体基底N型区、P型区和高阻区，所述贴片天线单元和太阳能电池顶电极位于所述太阳能电池半导体基底上方，其中贴片天线单元位于所述高阻区上方，太阳能电池顶电极位于所述N型区上方，贴片天线和太阳能电池共用所述地平面。

2.如 权利要求1所述的装置，进一步包括：射频馈电连接器，所述射频馈电连接器连接贴片天线单元和射频信号端以及地平面，使贴片天线单元与地平面形成谐振回路。

3.如 权利要求1所述的装置，所述贴片天线单元和太阳能电池顶电极位于所述太阳能电池半导体基底上方，进一步的，所述太阳能电池顶电极包围所述贴片天线单元，所述贴片天线单元与所述太阳能电池顶电极之间保留有间隙距离。

4.如 权利要求1所述的装置，更进一步的，太阳能电池为PIN型太阳能电池，其中太阳能电池半导体基底中的I型区域作为高阻区。

5.如 权利要求1或2所述的装置，进一步的包括：在地平面底部附着电路板，在所述电路板底层附着电子器件。

6.如权利要求1所述的装置，进一步的采用孔径耦合馈电方式(Aperture-coupled Feed)：以所述太阳能电池半导体基底高阻区作为贴片天线上层基底，在所述地平面上形成耦合孔，在所述地平面下面附着电路板作为贴片天线下层基底，在所述电路板底层形成馈电微带线，同时电路板底层附着电子器件。

7.一种太阳能电池集成贴片天线的装置，该装置包括：太阳能电池顶电极，太阳能电池半导体基底，贴片天线基底，贴片天线单元，地平面；其中所述贴片天线单元位于所述贴片天线基底上面，所述太阳能电池半导体基底包括N型区、P型区，所述太阳能电池顶电极位于所述N型区上面，太阳能电池和贴片天线共用地平面。

8.如权利要求7所述的装置，进一步包括：射频馈电连接器，所述射频馈电连接器连接贴片天线单元和射频信号端以及地平面，使所述贴片天线单元与所述地平面形成谐振回路。 

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