CN103594773A - 三维天线 - Google Patents

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CN103594773A CN201310357739.3A CN201310357739A CN103594773A CN 103594773 A CN103594773 A CN 103594773A CN 201310357739 A CN201310357739 A CN 201310357739A CN 103594773 A CN103594773 A CN 103594773A
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Abstract

本申请的系统和方法包括具有基于重复的图样的自相似性的不同尺寸的多个元件的三维球形天线，即分形天线。该天线提供宽带响应以有效捕捉可进一步被处理并用来生成电的周围电磁能量。还可调谐该天线以提供能够捕捉特定频带的更准确和有效的天线。收集的电然后可用来对包括诸如计算机、蜂窝电话、音频和视频设备、医疗设备、电气器械、发光体以及许多其它装置的电气和电子装置的多种负载供电。这尤其可在边远地区中有用并且还能支持诸如太阳能、风力、热和其它的可再生能源。该天线还对于无线通信应用提供增加的接收并且可利用分形和非分形天线。

Description

三维天线
技术领域
本申请专注于电磁天线的领域。更具体而言，本申请专注于三维电磁天线的领域。
背景技术
当今使用的天线通常基于二维几何形状并且调谐用于相对窄的频带。这些天线通常要求将天线物理上转动或移动以提高接收预期信号的能力。
另外，周围环境中存在来自许多来源的电磁能量，此类来源包括广播站和电视台、蜂窝电话和发射机、802.11 WiFi无线装置和发射机、微波发射机、雷达发射机、从电气和电子装置发出的电磁辐射、许多其它装置和发射机以及外层空间。此类电磁能量存在于环境中的所有方向上并且因此能量采集应用要求能够接收很宽的频带上的电磁能量的无指向性天线。
发明内容
在本申请的一个方面中，提供从二维(2-D)天线组装件布置的三维(3-D)天线组装件，所述3-D天线组装件包括在多个天线元件接合处接合的多个2-D天线元件，该接合的多个2-D天线元件形成2-D天线组装件，并且多个天线图样（pattern）制作(fashion)在多个2-D天线元件中的至少一个上，其中通过创建在多个天线元件接合处的每个接合处的邻接2-D天线元件之间的角度并且在多个接合点接合该多个2-D天线元件，2-D天线组装件被布置成3-D天线组装件。
在本申请的另一方面中，提供三维(3-D)天线组装件，所述3-D天线组装件包括多个2-D天线元件，以及制作在多个2-D天线元件中的至少一个上的多个天线图样，其中所述3-D天线组装件通过在多个接合点接合该多个2-D天线元件来布置。
在本申请的另一方面中，提供产生3-D天线组装件的方法，包括：选择2-D天线元件几何形状；产生包括多个2-D天线元件的2-D天线组装件，其中所述2-D天线元件通常以所选择的几何形状制作；在所述2-D天线元件中的至少一个上布置天线图样；以及用所述2-D天线组装件构成3-D天线组装件。
根据本公开的一方面，一种三维(3-D)天线组装件，包括：在多个天线元件接合处接合的多个2-D天线元件，所接合的多个2-D天线元件形成2-D天线组装件；以及在所述多个2-D天线元件中的至少一个上制作的多个天线图样，其中，通过创建在所述多个天线元件接合处中的每个天线元件接合处的邻接2-D天线元件之间的角度并且在多个接合点接合所述多个2-D天线元件，所述2-D天线组装件被布置成所述3-D天线组装件。
其中，所述多个2D天线元件以普通几何形状制作。
其中，所述普通几何形状包括菱形几何形状、圆形几何形状、八角形几何形状、六角形几何形状和方形几何形状中的任何一种。
其中，所述多个天线图样是分形天线图样。
其中，所述多个天线图样是非分形天线图样。
其中，所述多个接合点通过熔融、锡焊、胶合、紧固、螺栓连接、螺丝接合、铆接和缠绕中的任何一个来接合。
其中，所述2-D天线组装件以柔性材料制作使得邻接2-D天线元件之间的角度通过弯曲或折叠所述2-D天线元件来创建。
还包括用于多个天线的每个的天线线缆，其中，所述天线线缆被耦合到一起并且提供给接收机，并且其中对所述接收机的功率输入等于所述多个天线的每个所收集的功率的总和。
其中，所述3-D天线组装件包括配置成覆盖所述3-D天线组装件中的多个开口的多个二次天线元件。
其中，所述天线图样蚀刻在所述2-D天线元件上。
其中，所述天线图样印刷在所述2-D天线元件上。
其中，所述天线图样从导电材料中切割并且附添到所述2-D天线元件。
根据本公开的另一方面，一种三维(3-D)天线组装件，包括：多个2-D天线元件；以及在所述多个2-D天线元件的至少一个上制作的多个天线图样，其中，所述3-D天线组装件通过在多个接合点接合所述多个2-D天线元件来布置。
其中，所述多个2-D天线元件以普通几何形状制作。
其中，所述普通几何形状包括菱形几何形状、圆形几何形状、八角形几何形状、六角形几何形状和方形几何形状中的任何一种。
其中，所述多个天线图样是分形天线图样。
其中，所述多个天线图样是非分形天线图样。
还包括用于多个天线的每个的天线线缆，其中，所述天线线缆被耦合到一起并且提供给接收机，并且其中对所述接收机的功率输入等于所述多个天线的每个所收集的功率的总和。
其中，所述3-D天线组装件包括配置成覆盖在所述3-D天线组装件中的多个开口的多个二次天线元件。
其中，所述天线图样蚀刻在所述2-D天线元件上。
其中，所述天线图样印刷在所述2-D天线元件上。
其中，所述天线图样从导电材料中切割并且附添到所述2-D天线元件。
根据本公开的又一方面，一种产生3-D天线组装件的方法，包括：选择2-D天线元件几何形状；产生包括多个2-D天线元件的2-D天线组装件，其中，通常以所选择的几何形状来制作所述2-D天线元件；选择天线图样并且将其布置在所述2-D天线元件的至少一个上；以及用所述2-D天线组装件构成所述3-D天线组装件。
附图说明
图1是示出本申请的2D天线组装件的实施例的图形表示。
图2是示出本申请的2D天线组装件的实施例的图形表示。
图3是示出本申请的2D天线组装件的实施例的图形表示。
图4是示出本申请的2D天线组装件的实施例的图形表示。
图5是本申请的2D天线组装件的图形实施例。
图6是示出本申请的3D天线组装件的实施例的图形表示。
图7是示出本申请的3D天线组装件的实施例的图形表示。
图8是本申请的2D天线组装件的图形实施例。
图9是示出本申请的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
在当前描述中，为了简洁、清楚和理解已经使用某些术语。从中不会施加超出现有技术的要求之外的不必要限制，这是因为此类术语仅用于描述性的目的并且意图被宽泛地解释。本文描述的不同系统和方法可单独或结合其它系统和方法一起使用。在随附权利要求的范围之内可能有各种等同、备选和修改。随附权利要求中的每个限制只有当在相应限制中明确记载术语“部件用于”或“步骤用于”时才意图援引35U.S.C.                                                112 第六段下的解释。
图1-5和图8示出用于捕捉电磁能量的2-D天线组装件10、10'、10"的示例性实施例。通常说来，组装件还可在发射方面同样有效。这些实施例基于使用多种几何形状的六个2D天线元件15、15'、15"，其中然后将天线元件15、15'、15"折叠以创建三维(3-D)组装件50（参看图6和图7）。这些天线元件15、15'、15"可通过使用标准的印刷电路板过程或为低功率应用而利用导电墨水印刷来制造。可利用本领域中已知的用来印刷或加工天线图样或天线元件的其它过程，并且还可使用可制作成3-D天线组装件50的元件的任何材料。还预期的是基于2D天线组装件10、10'、10"的另外实施例具有多于或少于六个2-D天线元件15、15'、15"。
对于宽带能量，图1-3和图8的实施例包括菱形、六元件 15 2-D组装件10，其中每个元件15中印刷有天线30。注意，图2中所示的特定分形天线30形状仅是示例性的并且元件15能包括本领域已知的或对于元件15特别得出的任何分形或非分形天线图样。事实上，图3示出非分形天线35，也可将其视为第一阶分形天线。
对于在已知频带的能量，例如在2.5 GHz的IEEE 802.11 Wi-Fi，与特定调谐到2.5 GHz的天线设计耦合的六元件15可以是优选的。图1示出具有在图样中耦合在一起的六个菱形2-D天线元件15的示例性2-D天线组装件10，每个元件15在天线元件接合处20耦合到紧接的元件15。图1的2-D天线组装件10是示例性的，这是因为可利用许多不同几何形状的2-D天线元件15。另外，应该注意的是图1是2-D天线组装件10的示例性例示，这是因为没有在每个元件15上示出天线图样。然而，应该理解的是每个元件或任何数量的元件将具有在元件15上制作的天线图样和/或形状。
仍参考图1，制作天线元件接合处20使得可使每个元件15创建与其相邻元件15的角度。换言之，必须使接合处20是柔性的或铰链(hinge)的或甚至可以是可拆卸的，从而使得可将元件15移动到相对于邻接元件15的优选角度并且接着将其重新附接。在一个实施例中，会用柔性材料制作2-D天线组装件10，此类柔性材料会能够接受在每个元件上的印刷天线并且会允许天线元件接合处20的弯曲使得可将2-D天线组装件10制作成如图6和图7中描绘的3-D天线组装件50。图6和图7的3-D天线组装件50会通过在天线元件接合处20折叠图2的2-D天线组装件10并且接合标记的接合点A、B、C、D来制作。将通常标记的接合点A、B、C、D 啮合和接合在一起，使得通过点A-A、B-B、C-C和D-D来接合元件15。
现在参考图2，根据实施例进一步描绘图1的2-D天线组装件10，其中2-D天线元件15中每个包括分形天线30。再一次，应该理解的是，2-D天线元件15中的每个上示出的分形天线30可印刷在元件15上或者可通过使用制作材料的天线元件的领域中的任何已知元件来制作在元件15上。还应该注意的是，本申请的系统不限于包括分形天线30，而是还可根据系统的需要包括非分形天线。当然，这一点对于图6和图7中示出的3-D天线组装件50则也是正确的。换言之，该设计不限于图2中示出的分形天线30，而是可包括本领域已知的或为特定系统专门设计的任何分形天线30，或者本领域已知的或为特定系统专门设计的任何非分形天线。
如果元件15上正利用的天线要求，则提供配置成将收集的信号和/或能量从天线中继到系统中的接收机（没有示出）的天线线缆25。在2-D天线组装件10配置成3-D天线组装件50时，将在单个线缆（没有示出）中合并天线线缆25的每个。该合并的线缆可配置成在3-D天线组装件50的中心接合天线线缆25中的每个，或通过将每个天线线缆25沿着2-D天线元件15的边缘布线到3-D天线组装件50的内表面或外表面上的单个点来完成。当将用于每个天线元件15的每个天线线缆25合并成单个线缆时，总体接收的功率等于每个单独天线元件15的总和。以下的公式1示出这一概念，其中P是总体接收的功率，而P1-P6表示六个天线元件中每个元件接收的功率。该功率公式(1)对于利用本申请的3D天线组装件50的功率采集和提取(scavenging)的情形是正确的。
            P=P1+P2+P3+P4+P5+P6     (1)
现在参考图4和图5，根据实施例示出2-D天线组装件10'、10"，其中对于2-D天线元件15'、15"具有变化的几何形状。如以上针对图1-3描述的相同方式，可将图4和图5的2-D天线组装件10'、10"沿着天线元件接合处20'、20"来折叠并且在接合点A、B、C、D处将其接合，以便得出3-D天线组装件50。当然，图4和图5的天线元件15'、15"的变化的几何形状将导致不完全类似于图6和图7的3-D天线组装件50的3-D天线组装件50，而是将取稍微不同的三维形状并且还包括变化的3-D天线开口55。
现在参考图6，根据实施例描绘3-D天线组装件50，从图2中的2-D天线组装件10来构建该3-D天线组装件50。再次，在天线元件接合处20以创建3-D球形的此类方式将2-D天线元件15折叠或铰链并且在每个接合点A、B、C、D将其接合。如之前论述的，将接合点A、B、C、D以安全的方式互相接合。取决于用于2-D天线元件15的材料，可使用粘合剂通过锡焊、熔融、螺栓连接、铆接、紧固、螺丝接合、缠绕或本领域中已知的任何其他方法来将接合点A、B、C、D接合。一旦形成3-D天线组装件50，将显而易见的是还形成多个3-D天线开口55并且所述多个3-D天线开口呈现由2-D天线元件15的形状所确定的形状。这些开口55允许信号经过3-D天线组装件50并且由2-D天线元件15中的任何一个之上存在的任何其它天线收集。再一次，应该注意的是，在该特定例示中，分形天线30在2-D天线元件15中的每个上示出，但是根据系统的要求可利用任何分形或非分形天线。
还应该注意的是，由图2中2-D天线元件15创建的图样仅是2-D天线组装件10可被制作的一种方式。换言之，可将2-D天线组装件10的顶行中左边和右边的2-D天线元件移动并且安置在四个元件的列中的2-D天线元件15的任何一个之上。仅有的要求是能够将2-D天线组装件10制作成3-D天线组装件50。还参考图6和图7，应该清楚的是还可通过在会是天线元件接合处20和接合点A、B、C、D之处将六个单独2-D天线元件15接合在一起来构建本申请的3-D天线组装件50。换言之，而是图1-5中的六元件2-D天线组装件10、10'、10"可通过使用六个单独的2-D天线元件15、15'、15"被替换并且单独地接合在一起以创建图6和图7中的3-D天线组装件50。
仍参考图6和图7，在2-D天线组装件10形成3-D天线组装件50时，自然地形成多个3-D天线开口55。3-D天线开口55的形状将是一致的并且取决于2-D天线元件15的几何形状。如之前论述的，3-D天线开口55可保留开放使得信号经过开口55并且由该开口55对面的2-D天线元件15中的一个所接收。在另一实施例中，开口55可由用用来制作2-D天线元件15的类似材料来制作并且还包括天线（分形或非分形）的二次天线元件（没有示出）覆盖使得整个3-D天线组装件50用能够接收天线的材料来制作，并且其被密封在通常为球形的3-D天线组装件50中。当然，特定实施例可包括具有3-D天线开口55中一些被二次天线元件覆盖而其它留作开口55的3-D天线组装件50。还应该注意的是，通过如在将2-D天线元件在接合点A、B、C、D处互相接合的论述中之前论述的类似方法，能将二次天线元件（没有示出）与2-D天线元件15接合在一起。
现在参考图8，再一次利用图1-3中的2D天线组装件10来示出如在图6和图7中之前论述的3D天线开口55。此处，虚线用来示出在将2D天线组装件10折叠成图6和图7中的3D天线组装件50时的开口55的形状。如以上还论述的，点线可示出二次天线元件的边界，该二次天线元件可用来代替开口55并且根据之前说明书还可具有印刷在其上的某种天线。如以上还论述的，3D天线开口55的形状取决于天线元件15的几何形状并且在该情形中呈现三角形。
现在参考图9，根据实施例示出本申请的方法100。在步骤102中，选择2-D天线元件形状。如以上论述的，可利用多种几何形状，包括但不限于图3的菱形、六角形、八角形或甚至图5中所示的圆形。2-D天线元件形状还可包括方形天线元件。然而，此类元件选择会创建立方体形状的3-D天线元件。此类天线会比在其之上的2-D天线元件更有用，但是与图6和图7的3-D天线组装件所产生的多个平面相比仅会包括三个平面用于捕捉信号。根据备选实施例，该立方体3-D天线组装件会是可行的并且非常有用。在步骤104中，产生包括多个2-D天线的2-D天线组装件。如在之前章节中论述的，只要可将2-D天线元件制作成3-D元件，可利用图1-5中所示的形状，或者可利用包括将左边和右边的元件移动到在四个元件列中的任何其它元件的另一形状。如以上论述的，2-D天线元件的材料可用标准印刷电路板材料或用来容纳印刷的导电墨水的柔性材料或本领域中已知的利用来容纳导电电路的任何其它材料来制作，并且还配置成制作成3-D天线组装件。如之前还论述的，天线元件还可单独而非在2-D天线组装件中制作，并且组装成图6和图7中示出的3-D天线组装件50。在步骤106中，在2-D元件的每个上布置天线图样。再次，如以上论述的，天线图样可以是根据要求的任何分形或非分形天线，并且可通过本领域中已知的包括但不限于印刷或蚀刻的任何手段来布置在2-D元件上。在步骤108中，通过折叠或弯曲或铰链2-D天线组装件并且如以上论述的适当地接合接合点来用2-D天线组装件形成3-D天线组装件。如之前还论述的，使用单独的2-D天线元件将移除折叠、弯曲或铰链2-D天线组装件的需要并且将要求在接合点处将2-D天线元件接合在一起以便得出图5和图6的3-D天线组装件。
具有三维和球形的几何形状的天线与二维天线相比有能力接收更多的能量，同时还最小化或消除转动天线的需要。具有基于增加尺寸的重复图样的自相似的多个元件15的天线组装件50导致天线，该天线具有相对于其尺寸的长的长度并且能够接收不对任何特定频率或频率范围特定的信号，相反而是能够在相当大的动态频率范围上接收信号的宽带天线，这使得其在能量提取应用中有吸引力并且潜在地实现之前被认为是不可能的较高功率类型应用。当今使用不可再充电的电池来对系统供电的应用能潜在地用超级电容器来替换，该超级电容器存储此类天线捕捉的能量并且将消除替换电池的需要。备选的是，能使用存储的能量来对二次（可再充电的）电池充电。
该三维球形天线的技术优点是：1)其有能力接收明显更多的电磁能量，2)其是无指向性的并且因此最小化或消除转动的需要。主要的商业优点在于此天线有能力使在之前被认为是不可能的多种应用成为可现实的。
能量提取是相对新的领域，其主要以消耗1 mW或更少的低功率遥感应用为目标。此类天线可有能力以数量级来改进该应用。
该书面描述使用包括最好模式的示例来公开本发明，并且还使得任何本领域的技术人员能够制作并且使用本发明。本发明要求专利保护的范围由权利要求来限定，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构要素，或如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质不同的等同结构要素，则此类其它示例意图在权利要求的范围之内。
部件列表
组成部件 附图标记 图标号
2D天线组装件 10、10'、10"  
2D天线元件 15、15'、15"  
天线元件接合处 20、20'、20"  
天线线缆 25  
分形天线 30  
接合点 A、B、C、D  
3D天线组装件 50  
3D天线开口 55  
方法 100  
步骤 102  
步骤 104  
步骤 106  
步骤 108  
非分形天线 35  

Claims (10)

1. 一种三维(3-D)天线组装件，包括：
在多个天线元件接合处接合的多个2-D天线元件，所接合的多个2-D天线元件形成2-D天线组装件；以及
在所述多个2-D天线元件中的至少一个上制作的多个天线图样，
其中，通过创建在所述多个天线元件接合处中的每个天线元件接合处的邻接2-D天线元件之间的角度并且在多个接合点接合所述多个2-D天线元件，所述2-D天线组装件被布置成所述3-D天线组装件。
2. 如权利要求1所述的3-D天线组装件，其中，所述多个2D天线元件以普通几何形状制作。
3. 如权利要求2所述的3-D天线组装件，其中，所述普通几何形状包括菱形几何形状、圆形几何形状、八角形几何形状、六角形几何形状和方形几何形状中的任何一种。
4. 如权利要求1所述的3-D天线组装件，其中，所述多个天线图样是分形天线图样。
5. 如权利要求1所述的3-D天线组装件，其中，所述多个天线图样是非分形天线图样。
6. 如权利要求1所述的3-D天线组装件，其中，所述多个接合点通过熔融、锡焊、胶合、紧固、螺栓连接、螺丝接合、铆接和缠绕中的任何一个来接合。
7. 如权利要求1所述的3-D天线组装件，其中，所述2-D天线组装件以柔性材料制作使得邻接2-D天线元件之间的角度通过弯曲或折叠所述2-D天线元件来创建。
8. 如权利要求1所述的3-D天线组装件，还包括用于多个天线的每个的天线线缆，其中，所述天线线缆被耦合到一起并且提供给接收机，并且其中对所述接收机的功率输入等于所述多个天线的每个所收集的功率的总和。
9. 如权利要求1所述的3-D天线组装件，其中，所述3-D天线组装件包括配置成覆盖所述3-D天线组装件中的多个开口的多个二次天线元件。
10. 如权利要求1所述的3-D天线组装件，其中，所述天线图样蚀刻在所述2-D天线元件上。
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