CN104218308A - 一种混合压电材料的能量收集天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合压电材料能量收集天线，兼有射频能量收集天线和压电式振动能量收集器的功能。所述的射频能量收集天线工作频段为2.45GHz和1.9GHz，采用层叠结构，从上到下一共5层，其中第1层、第3层、第5层均为金属层，第2层、第4层均为介质层。天线馈电采用单馈和耦合馈电结合的方法，第1层采用同轴馈电，第3层采用耦合馈电。采用BNT压电陶瓷与环氧玻璃纤维的混合压电材料作为介质层材料，外圈采用介电常数高的BNT压电陶瓷，中心用介电常数低的环氧玻璃纤维材料，可以大大减小天线整体尺寸。而且混合压电材料做的介质层和3层金属层可以形成一个层叠结构的压电式振动能量收集器。本发明可同时收集压电式振动能量和手机以及WiFi的电磁波能量。
Description
技术领域
本发明属于环境能量采集领域，具体涉及一种压电式振动与射频电磁波能量收集天线，可应用于无线传感器节点和其他低功耗电子设备的能量供给。
背景技术
射频电磁波能量和机械振动能量是两种普遍存在的环境能量资源。机械振动能量收集有压电式、静电式和电磁感应式三种工作方式，这三种方式都能得到微瓦到毫瓦的能量输出。但是，压电式能量收集器可与MEMS技术很好地集成,而且具有能量输出密度大、无须启动电源、能量采集装置结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染、寿命几乎无限、易于加工制作和实现机构的微小化等众多优势。并且成本低，没有布线麻烦等诸多优点因此备受人们欢迎。压电陶瓷属于压电材料的一种，与其他压电材料相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但是直接作为PCB板的介质材料使用时，其介电常数偏高。
近年来，射频无线输能越来越受到人们的重视。早在1975年Brown W.C.在实验室完成了交流到直流的输能系统试验，试验用的射频能量收集天线是利用铝条做成半波偶极子天线组成，在工作频率为2.45GHz获得了54%的整流效率。2002年韩国学者Young-Ho Suh和台湾学者Kai Chang 设计一种用于无线能量传输的高效双频整流天线，设计频段为2.45GHz和5.8GHz。
由于射频能量几乎不受环境和时间因素的限制，能够持续不间断提供能量。近年来，随着通信技术的迅速发展，人们生活周围环境中充斥着大量的无线电波信号，一些重要的射频信号源包括无线局域网（WiFi）、工业通讯（ISM）频段和手机基站(GSM)，其中手机基站24小时不间断辐射着电磁波，几乎可以看作一个稳定的信号源。而整流天线是其中一项关键技术，整流天线由射频能量收集天线、低通滤波器、阻抗匹配网络和整流电路等部分组成，它通过接收环境中的电磁波，将接收到的电磁波转换成直流电能输出。目前，整流天线中射频能量收集天线的形式主要有单级子天线、偶极子天线和微带天线3种形式。微带天线因其具有体积小、重量轻、接收面积大、极化方式灵活、方便组阵、易集成和易加工等优点，近年来被广泛用于整流天线中射频能量收集天线的设计。
由于单一的环境能量是有限的，比如单一的射频电磁波能量或者机械振动能量常常满足不了无线电子设备的供能需求；另外考虑到环境的多样性，工作在电磁波信号较差的地区，射频能量收集天线采集到的射频能量将大大降低，所以需要采用混合能量收集系统为无线电子设备提供能源。本发明将压电式振动能量收集器和射频能量收集天线做在一起，使两种采集能量的模块可以同时工作也可以单一工作，两种能量采集不会相互干扰。有效的解决了低功耗无线电子设备在多种环境中工作时的供能问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合压电材料能量收集天线，可同时收集振动能量和射频电磁波能量，可应用于无线传感网络、RFID等低功耗电子设备的供能，以摆脱电池的束缚，降低成本、减小体积、便于携带，能适于大规模的应用。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种混合压电材料能量收集天线，其特征在于：兼有射频能量收集天线和压电式振动能量收集器的功能,采用层叠结构，从上到下一共5层；第1层、第3层、第5层均为金属层，同时构成压电振动串联极板和天线的金属部分；所述射频能量收集天线馈电采用单馈和耦合馈电结合的方法，第1层采用同轴馈电，第3层采用耦合馈电；
所述第2层、第4层均为介质层；所述介质层包括A层和B层，即介质材料采用A层材料和B层材料的混合材料，介质层的外圈为A层材料，介质层的中心采用B层材料。
所述第1层与所述第2层和所述第3层构成天线A；第3层作为天线A的参考地极板，天线A的第1层为矩形贴片结构，在所述第1层的矩形贴片结构边缘增加小矩形枝节，以进一步减小整体天线的尺寸；所述天线A的工作频率在2.45GHz。
所述的第3层与所述第4层和所述第5层构成天线B；，所述第5层作为天线B的参考地极板；在所述第3层表面开一个环形槽，以拓宽整体天线的带宽；所述天线B的工作频率在1.9GHz。
所述的A层材料为介电常数高的BNT压电陶瓷，所述的B层材料为介电常数低的环氧玻璃纤维，所述的混合材料为混合压电材料。
所述的一种混合压电材料能量收集天线，其特征在于：所述的第3层金属既作为天线A的参考地极板，又作为天线B的辐射贴片层。
本发明的工作过程如下：
射频能量收集天线采用层叠结构，从上到下一共5层，其中第1层、第3层、第5层均为金属层，第2层、第4层均为介质层。所述第1层与所述第2层和所述第3层构成天线A，第3层作为天线A的参考地极板，天线A的第1层设计成矩形贴片结构，在所述第1层的矩形贴片结构边缘增加小矩形枝节，所述第1层采用同轴馈电，所述天线A的工作频率为2.45 GHz；所述的第3层与所述第4层和所述第5层构成天线B，第3层表面开一个环形槽，第5层作为天线B的参考地极板，第3层采用耦合馈电，天线B的工作频率为1.9 GHz。首先根据微带接收天线工作频段、介质的介电常数、厚度等参数估算两层贴片天线的尺寸，然后通过Ansoft公司的HFSS进行仿真优化，获得最佳的射频能量收集天线的版图，根据此版图的尺度制作射频能量收集天线实物，然后对实物进行测试改进，最终得到需要的射频能量收集天线。
压电式振动能量收集器也采用层叠结构，与射频能量收集天线共用金属层和介质层，介质层材料采用A层材料和B层材料的混合压电材料，介质层的外圈采用A层材料，介质层的中心采用B层材料。总体介电常数控制在50~100之间。两层介质层制作成一致，使其固有振动频率一致，那么产生的电信号是相同的波形，这两个电信号叠加，就相当于两个电压源串联，所述第1层作为压电振动能量收集器的正极板，第5层作为负极板。
本发明具有有益效果
本发明通过采用A层材料和B层材料混合的介质材料，一方面可以适当增大介质的介电常数，减小天线的尺寸，另一方面，所述混合压电材料做的介质层和3层金属层可以形成一个层叠结构的压电式振动能量收集器，同时采集射频能和振动能；通过采用单馈和耦合馈电结合的方法，克服直接馈电引入附加电感量的缺陷，改善天线B的辐射效率和增益；通过设计压电式振动能量收集器为串联结构，增大输出电压；通过在所述第1层的矩形贴片结构边缘增加小矩形枝节,，可以进一步减小整体天线的尺寸；通过在第3层表面开一个环形槽，从而拓宽整体天线的带宽。
附图说明
图1为本发明的俯视图。
图2为本发明的剖面图；
图中：1-第1层，2-馈电点，3-小矩形枝节， 4-第3层，5-第5层，6-环形槽，7- A层，8-B层。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种混合压电材料的能量收集天线，兼有射频能量收集天线和压电式振动能量收集器的功能。所述的射频能量收集天线采用层叠结构，以印制电路板PCB为制造工艺，剖面图如图2所示，从上到下一共5层，其中第1层、第3层、第5层均为金属层，第2层、第4层均为介质层。所述第1层与所述第2层和所述第3层构成天线A，第1层采用同轴馈电，第3层作为天线A的地极板；所述的第3层与所述第4层和所述第5层构成天线B，第3层采用耦合馈电，第5层作为天线B的地极板。介质层采用A层材料和B层材料的混合压电材料，介质层的外圈采用A层材料，介质层的中心采用B层材料，总体介电常数控制在50~100之间。这样就构成了射频能量收集天线和压电式振动能量收集器的一体化能量采集器。
射频能量收集天线采用微带线结构实现，其物理尺寸全部由Ansoft公司的HFSS软件进行计算和仿真优化后获得，单层介质厚度为1.5mm，介电常数在50~100之间，金属为铜质，厚度0.018mm。
Claims (5)
1.一种混合压电材料能量收集天线，其特征在于：采用层叠结构，从上到下一共5层；第1层、第3层、第5层均为金属层，同时构成压电振动串联极板和天线的金属部分；所述射频能量收集天线馈电采用单馈和耦合馈电结合的方法，第1层采用同轴馈电，第3层采用耦合馈电；
所述第2层、第4层均为介质层；所述介质层包括A层和B层，即介质材料采用A层材料和B层材料的混合材料，介质层的外圈为A层材料，介质层的中心采用B层材料。
2.根据权利要求1所述的一种混合压电材料能量收集天线，其特征在于：所述第1层与所述第2层和所述第3层构成天线A；第3层作为天线A的参考地极板，天线A的第1层为矩形贴片结构，在所述第1层的矩形贴片结构边缘增加矩形枝节，以进一步减小整体天线的尺寸；所述天线A的工作频率在2.45GHz。
3.如权利要求1所述的一种混合压电材料能量收集天线，其特征在于：所述的第3层与所述第4层和所述第5层构成天线B；，所述第5层作为天线B的参考地极板；在所述第3层表面开一个环形槽，以拓宽整体天线的带宽；所述天线B的工作频率在1.9GHz。
4.如权利要求1所述的一种混合压电材料能量收集天线，其特征在于：所述的A层材料为BNT压电陶瓷，所述的B层材料为环氧玻璃纤维，所述的混合材料为混合压电材料。
5.如权利要求1所述的一种混合压电材料能量收集天线，其特征在于：所述的第3层金属既作为天线A的参考地极板，又作为天线B的辐射贴片层。
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