CN104682020B - 一种嵌入功率合成器的电磁波能量收集阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入功率合成器的电磁波能量收集阵列天线，所述阵列天线中内嵌功率合成器，且该功率合成器完成阻抗匹配；所述阵列天线采用层叠结构，分为五层，从上至下分依次为：第一层天线、第二层介质层、第三层金属层、第四层介质层、第五层天线，所述第三层金属层为公共参考地平面；本发明无需额外设计无源匹配电路，功率合成器直接实现阻抗匹配，有效减小了能量收集装置的尺寸；此外，本发明主要应用于无线传感网络、RFID等低功耗电子设备的供电，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。

Description

一种嵌入功率合成器的电磁波能量收集阵列天线

技术领域

本发明属于电磁波能量收集天线领域，特别地，涉及一种嵌入功率合成器的电磁波能量收集阵列天线。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的不断发展，电磁波能量正从世界各地数千亿的无线电发射器中发射而出，这些发射器包括移动电路、移动电话基站、电视/电台信号发射基站、无线路由器等。另一方面，越来越大的微型或便携式无线通信设备或网络节点被应用于现实生活中，特别需要提出的是物联网随着传感器技术的发展，越发受到重视与研究，相关成果经常被列于期刊杂志之上，显示出蓬勃发展的势头。无线设备的主要能量供应来源是电池，然而电池的使用给设备引入不小的体积；同时，电池的寿命有限，而传感器种类繁多，更换电池的代价非常之昂贵，废旧电池也容易引起环境污染。这就迫切要求人们研究降低系统功耗，同时最好使系统能够从周围环境中收集能量以供应自身持续工作。

随着硅微电子技术的发展，微瓦级功耗的电子系统越来越多的被研发出来。这使得系统从周围环境(光能、震动能、电磁波)收集能量以供自身工作成为可能。自供电(self-powering)、自充电(self-rechargeable)、免电池(battery-less)微系统，使得环境能量收集成为研究前言和热点。如前所述，空气中大量充斥着各种各样的电磁波能量。因而收集源源不断的电磁波能量系统更受到人们的亲睐。目前国内外对于该领域的研究正在如火如荼的进行，并取得了丰硕的成果。

当前电磁波能量收集系统主要包括：接收天线、匹配电路、倍压整流电路。整流后的能量信号可以储存在超级电容中，亦或直接给微型传感器供电。应用本发明的电磁波收集天线，系统可以简化为：接收天线、倍压整流电路。

电磁波能量收集天线的形式主要有三种：单级子天线、偶极子天线和微带天线。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，近年来被广泛用于电磁波能量收集天线的设计。由微带辐射单元作为基本单元，其增益仅为6到8dB。为获得高增益，通常是将这些微带辐射单元组成微带阵列。层叠结构可以将天线尺寸缩短到原尺寸的一半，而获得同样的增益，比起排布于一个平面的面阵更受到人们的亲睐。然而该结构需要额外的阻抗匹配电路，使系统复杂化，尺寸也相应变大。本专利在此背景下，着力于将功率合成器内嵌于阵列天线之中，在不增加天线尺寸的情况下，完成功率合成的同时进行电路阻抗匹配，从而避免引入额外的无源匹配电路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自带功率合成器的电磁波能量收集阵列天线，可收集空气中的电磁波能量；在进行功率合成的同时完成天线与后级电路的阻抗匹配。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种嵌入功率合成器的电磁波能量收集阵列天线，所述阵列天线中内嵌功率合成器，且该功率合成器完成阻抗匹配；

所述阵列天线采用层叠结构，分为五层，从上至下分依次为：第一层天线、第二层介质层、第三层金属层、第四层介质层、第五层天线，所述第三层金属层为公共参考地平面及倒“U”型耦合微带线；

所述第一层天线的凹槽上连接有第一层天线馈电微带线，作为功率合成器的第一耦合输入端；所述第五层天线的凹槽上连接有第五层天线馈电微带线，作为功率合成器的第二耦合输入端；所述第三层金属层的凹槽内嵌有第三层倒“U”型耦合微带线，该倒“U”型耦合微带线一端悬空，另一端作为功率合成器的输出端口；

所述第一层天线和第五层天线的顶端之间设有第一连接过孔，所述第一层天线馈电微带线和第三层金属层之间设有第二连接过孔，所述第一层天线馈电微带线和第五层天线馈电微带线之间设有第三连接过孔，所述第三层金属层和第五层天线馈电微带线之间设有第四连接过孔。

进一步，所述第一层天线、第五层天线均为金属层且结构相同，在垂直方向上为重合的倒“U”型天线。

进一步，所述第一层天线、第三层金属层、第五层天线的凹槽均为倒“U”型凹槽。

进一步，所述第一层天线馈电微带线和第五层天线馈电微带线位于凹槽两侧。

进一步，所述金属层的材质为铜。

进一步，所述介质层为FR4层。

进一步，所述金属层的厚度为0.018mm，所述介质层的厚度为0.7mm，所述阵列天线总厚度小于1.5mm。

进一步，所述阵列天线工作频率为2.45GHz，且等效输出阻抗为50Ω。

进一步，所述第一层天线馈电微带线和第五层天线馈电微带线位于凹槽不同侧。

本发明具有的有益效果是：主要应用于无线传感网络、RFID等低功耗电子设备的供电，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。除此之外，本发明还具有：

1)设计一种嵌入于阵列天线中的功率合成器，完成阵列天线的功率合成；

2)无需额外设计无源匹配电路，功率合成器直接实现阻抗匹配，有效减小了能量收集装置的尺寸。

附图说明

图1为本发明的3D结构图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的第一层金属层示意图；

图4为本发明的第三层金属层示意图；

图5为本发明的第五层金属层示意图；

图6为本发明的材料层次图。

图中：1-第一层天线；2-第三层金属层；3-第五层天线；4-第一层天线馈电微带线；5-功率合成器输出端；6-第五层天线馈电微带线；7-第二连接过孔；8-第三连接过孔；9-第四连接过孔；10-第一连接过孔；11-第三层倒“U”型耦合微带线。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明为一种嵌入功率合成器的电磁波能量收集阵列天线，兼有功率合成和阻抗匹配功能。图中，1为第一层天线；2为第三层金属层，构成参考地平面及功率合成器输出端；3为第五层天线；4为第一层天线馈电微带线，同时作为功率合成器的第一耦合输入端；5为功率合成器输出端；6为第五层天线馈电微带线，同时作为功率耦合器的第二耦合输入端；7为第二连接过孔，将第一层馈电微带线和第三层参考地平面连接；8为第三连接过孔，将第一层馈电微带线和第五层馈电微带线连接；9为第四连接过孔，将第五层馈电微带线和第三层参考地平面连接；10为第一连接过孔，连接一，五层天线。

如图2所示为本发明的结构示意图。图中，4为第一层天线馈电微带线，同时作为功率合成器的第一耦合输入端；5为功率合成器输出端；6为第五层天线馈电微带线，同时作为功率耦合器的第二耦合输入端；7为第二连接过孔，将第一层天线馈电微带线和第三层参考地平面连接；8为第三连接过孔，将第一层天线馈电微带线和第五层馈电微带线连接；9为第四连接过孔，将第五层天线馈电微带线和第三层参考地平面连接；10为第一连接过孔，将一，五层天线顶端连接；11为第三层倒“U”型耦合微带线，一端悬空，另一端作为功率合成器的输出端口；为了收集2.45GHz的电磁波能量，天线尺寸及功率合成器的尺寸需要经过ADS仿真工具进行优化。

如图3所示为本发明的第一层天线示意图。图中，1为第一层天线；4为第一层天线馈电微带线；7为第二连接过孔，将第一层天线馈电微带线和第三层参考地平面连接；8为第三连接过孔，将第一层天线馈电微带线和第五层天线馈电微带线连接；10为第一连接过孔，将一，五层天线从顶端连接。

如图4所示为本发明的第三层金属层。图中，2为参考地平面；5为功率合成器输出端；7为第二连接过孔，将第一层天线馈电微带线和第三层参考地平面连接；9为第四连接过孔，将第五层天线馈电微带线和参考地平面连接；11为第三层倒“U”型耦合微带线，一端悬空，一端作为功率合成器的输出端口。

如图5所示为本发明的第五层金属层。图中，3为第五层天线；8为第三连接过孔，将第一层天线馈电微带线和第五层天线馈电微带线连接；9为第四连接过孔，将第五层天线馈电微带和参考地平面连接；10为第一连接过孔，将一，五层天线从顶端连接。

如图6所示，为本发明的材料层次图。图中，a，c，e为金属层，b，d为介质层。金属层材料为铜，厚度为0.018mm；介质层材料为FR4，厚度为0.7mm。总厚度为1.454mm，小于1.5mm。

本发明的工作过程如下：

收集电磁波能量的阵列天线采用层叠结构，从上到下一共五层。第一、三、五层为金属层，第二、四层为介质层。所述第一、五层构成阵列天线，第三层为公共参考地平面。采用微带线馈电方式。第一层馈电微带线和第五层馈电微带线位于倒“U”型凹槽内，位置靠左，它们构成功率合成器的输入端。第五层馈电微带线同样位于倒“U”型凹槽内，位置靠右，它构成功率合成器的另一部分输入端。第三层引入耦合微带线，同样采用倒“U”型结构，该微带线“两脚”与两根馈电微带线重合，宽度略小，一端悬空开路，一端为合成功率输出端。为了使嵌入功率合成器的电磁波能量收集阵列天线工作在2.45GHz，且等效输出阻抗为50Ω，阵列天线尺寸需要通过安捷伦公司的ADS仿真工具进行优化设计，从而获得最佳的电磁波能量收集天线的物理尺寸。

应理解上述施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种嵌入功率合成器的电磁波能量收集阵列天线，其特征在于：所述阵列天线中内嵌功率合成器，且该功率合成器完成阻抗匹配；

所述阵列天线采用层叠结构，分为五层，从上至下分依次为：第一层天线(1)、第二层介质层、第三层金属层(2)、第四层介质层、第五层天线(3)，所述第三层金属层(2)为公共参考地平面及倒“U”型耦合微带线；

所述第一层天线(1)的凹槽上连接有第一层天线馈电微带线(4)，作为功率合成器的第一耦合输入端；所述第五层天线(3)的凹槽上连接有第五层天线馈电微带线(6)，作为功率合成器的第二耦合输入端；所述第三层金属层(2)的凹槽内嵌有第三层倒“U”型耦合微带线(11)，该倒“U”型耦合微带线一端悬空，另一端作为功率合成器的输出端口；

所述第一层天线(1)和第五层天线(3)的顶端之间设有第一连接过孔(10)，所述第一层天线馈电微带线(4)和第三层金属层(2)之间设有第二连接过孔(7)，所述第一层天线馈电微带线(4)和第五层天线馈电微带线(6)之间设有第三连接过孔(8)，所述第三层金属层(2)和第五层天线馈电微带线(6)之间设有第四连接过孔(9),

所述第一层天线(1)、第五层天线(3)均为金属层且结构相同，在垂直方向上为重合的倒“U”型天线。

2.根据权利要求1所述的嵌入功率合成器的电磁波能量收集阵列天线，其特征在于：所述第一层天线(1)、第三层金属层(2)、第五层天线(3)的凹槽均为倒“U”型凹槽。

3.根据权利要求1所述的嵌入功率合成器的电磁波能量收集阵列天线，其特征在于：所述金属层的材质为铜。

4.根据权利要求1所述的嵌入功率合成器的电磁波能量收集阵列天线，其特征在于：所述介质层为FR4层。

5.根据权利要求1所述的嵌入功率合成器的电磁波能量收集阵列天线，其特征在于：所述金属层的厚度为0.018mm，所述介质层的厚度为0.7mm，所述阵列天线总厚度小于1.5mm。

6.根据权利要求1所述的嵌入功率合成器的电磁波能量收集阵列天线，其特征在于：所述阵列天线工作频率为2.45GHz，且等效输出阻抗为50Ω。

7.根据权利要求1或3所述的嵌入功率合成器的电磁波能量收集阵列天线，其特征在于：所述第一层天线馈电微带线(4)和第五层天线馈电微带线(6)位于凹槽不同侧。