CN105870614A - 刻蚀螺旋地的仿局域表面等离激元超材料亚波长整流天线 - Google Patents

刻蚀螺旋地的仿局域表面等离激元超材料亚波长整流天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种刻蚀螺旋地的仿局域表面等离激元超材料亚波长整流天线，由上至下依次包括刻槽金属圆环结构，上层介质层，微带线金属贴片，下层介质层和刻蚀螺旋结构的金属地板；所述刻槽金属圆环结构，上层介质层，微带线金属贴片，下层介质层和金属地板之间相互贴合。本发明具有尺寸小（亚波长）、重量轻、成本低、增益较高等优点，适合应用于无线能量收集系统，为WSN和RFID等电子设备供电。

Description

刻蚀螺旋地的仿局域表面等离激元超材料亚波长整流天线
技术领域
本发明涉及一种刻蚀螺旋地的仿局域表面等离激元超材料亚波长整流天线，属于新型人工电磁材料、能量收集与回收技术领域，该整流天线可应用于物联网、射频识别（RFID）和无线传感器网络（WSN）等领域。
背景技术
作为物联网的两大核心技术，射频识别（RFID）和无线传感器网络（WSN）已得到国际上学术界和企业界的高度关注，各国政府部门亦积极推进物联网的发展。WSN和RFID等物联网技术已应用于各个领域：如国防安全、空间探测、环境监测等。RFID、WSN节点分布范围广、数量多、或工作于不可及的特殊环境中，无线能量供给技术是延长其生命周期、拓宽应用范围的关键技术。无线能量收集技术回收利用自由空间的电磁能量，将其转换成直流能量为电子设备供电。环境电磁能量存在功率密度低且变化范围宽（-27~10dBm/m2）、频带多等特点。因此，收集天线能够接收的功率往往较低。而在低微功率输入的情况下，整流电路的效率会急剧下降（低于10%），从而降低整个系统的能量转换效率。为了有效利用空间任意电磁能量，收集天线需要同时满足较高增益、多频带和较大的半功率波瓣宽度等指标。而常规天线的带宽和增益决定于它的几何结构及尺寸，较高增益往往意味着较大尺寸。这时相比于整流电路、能量管理和存储、传感器等模块，收集天线的尺寸过于庞大，对于具有成百上千节点的无线传感器网络来说，这种庞大的天线是不切实际的。
超材料（新型人工电磁材料）是电磁学中新兴的研究领域，由一系列设计的结构单元在亚波长尺度上按照一定规律排列构成。通过改变单元结构设计即可改变超材料的本构关系，为人工控制电磁传播提供了极大的便利。近些年超材料得到了长足的发展，在天线和微波器件等方面都有广泛的应用。基于仿表面等离激元超材料能够在低频段实现电磁波的亚波长束缚，从而实现小型化、集成化的微波器件和天线。本发明提出了一种刻蚀螺旋地的仿局域表面等离激元超材料亚波长整流天线，具有尺寸小（亚波长）、重量轻、成本低、增益较高等优点，适合应用于无线能量收集系统，为WSN和RFID等电子设备供电。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提出一种刻蚀螺旋地的仿局域表面等离激元超材料亚波长整流天线。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种刻蚀螺旋地的仿局域表面等离激元超材料亚波长整流天线，由上至下依次包括刻槽金属圆环结构，上层介质层，微带线金属贴片，下层介质层和刻蚀螺旋结构的金属地板；所述刻槽金属圆环结构，上层介质层，微带线金属贴片，下层介质层和金属地板之间相互贴合。
所述刻槽金属圆环结构上刻蚀沿圆周方向均匀分布的凹槽，被环形结构分为内外凹槽两部分，其中内凹槽为直凹槽，外凹槽由两段直凹槽组成，剩余金属部分呈近似“T”字型结构。
在上层介质层，下层介质层之间设有微带线金属贴片，所述微带线金属贴片由一条短金属贴片和置于短金属贴片末端的圆形结构组合而成；所述圆形结构与环形结构的内圆内切。
所述金属地板的底面刻蚀螺旋结构，所述螺旋结构呈镜面对称分布。
所述上层介质层，下层介质层的材质为Rogers RO4350，介电常数为3.48，损耗角正切为0.004。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：
本发明天线在900MHz、1.8GHz和2.45GHz天线增益分别为1.57dBi、4.66dBi和3.92dBi，其尺寸为33mm*33mm，即0.1λ*0.1λ（相对于最低工作频率900MHz的波长），所以本发明具有尺寸小（亚波长）、重量轻、成本低、增益较高等优点。
附图说明
图1是本发明天线正视图。
图2是本发明天线正面俯视图。
图3是本发明天线背面俯视图。
图4是本发明天线单元的方向图。
其中1-刻槽金属圆环结构，2-上层介质层，3-微带线金属贴片，4-下层介质层，5-金属地板，6-环形结构，7-刻蚀外凹槽后剩余金属末端矩形贴片长度，8-刻蚀外凹槽后剩余金属末端矩形贴片宽度，9-外凹槽深度，10-内凹槽深度，11-环形结构宽度，12-短金属贴片，13-圆形结构，14-介质层的宽度，15-介质层的长度，16-螺旋结构，17-螺旋结构中正方形左上顶点距离金属地板底边的高度，18-对称的螺旋结构之间的距离，19-螺旋结构中螺旋臂之间的间隙宽度，20-螺旋结构中螺旋凹槽的宽度，21-螺旋结构中正方形的边长，22-单个螺旋结构的宽度，23-单个螺旋结构的长度，24-刻槽金属圆环结构的厚度，25-上层介质层的厚度，26-微带线金属贴片的厚度，27-下层介质层的厚度，28-金属地板的厚度。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例，对本发明做进一步阐述。
参见图1、图2和图3，一种刻蚀螺旋地的仿局域表面等离激元超材料亚波长整流天线，由上至下依次包括刻槽金属圆环结构1，上层介质层2，微带线金属贴片3，下层介质层4和刻蚀螺旋结构的金属地板5；所述刻槽金属圆环结构1，上层介质层2，微带线金属贴片3，下层介质层4和金属地板5之间相互贴合。
所述刻槽金属圆环结构1上刻蚀沿圆周方向均匀分布的凹槽，被环形结构6分为内外凹槽两部分，其中内凹槽为直凹槽，外凹槽由两段直凹槽组成，剩余金属部分呈近似“T”字型结构。
在上层介质层2，下层介质层4之间设有微带线金属贴片3，所述微带线金属贴片3由一条短金属贴片12和置于短金属贴片12末端的圆形结构13组合而成；所述圆形结构13与环形结构6的内圆内切。
所述金属地板5的底面刻蚀螺旋结构16，所述螺旋结构16呈镜面对称分布。
所述上层介质层2，下层介质层4的材质为Rogers RO4350，介电常数为3.48，损耗角正切为0.004。
本实施例中环形结构宽度11为1mm、刻蚀外凹槽后剩余金属末端矩形贴片长度7为3.32mm，刻蚀外凹槽后剩余金属末端矩形贴片宽度8为0.5mm，外凹槽深度9为7mm，内凹槽深度10为4mm，上层介质层的厚度25为2.034mm，下层介质层的厚度27为1.016mm。采用微带线金属贴片3作为激励来激发上层介质层2上刻槽金属圆环结构1中的人工局域表面等离激元，微带线金属贴片的厚度26为0.018mm。其中短金属贴片12末端的圆形结构13是为了使更多的电磁波耦合到刻槽金属圆环结构1上，刻槽金属圆环结构的厚度24为0.018mm，介质层的宽度14和介质层的长度15均为33mm，为十分之一个工作频率为900MHz的波长。单个螺旋结构的宽度22和单个螺旋结构的长度23分别为20mm和15mm，螺旋结构中正方形的边长21为2mm，螺旋结构中正方形左上顶点距离金属地板底边的高度17为20mm，对称的螺旋结构之间的距离18为2mm，螺旋结构中螺旋臂之间的间隙宽度19为2mm，螺旋结构中螺旋凹槽的宽度20为0.5mm。金属地板的厚度28为0.018mm。
如图4所示，本发明的天线单元结构方向图，（a）900MHz天线最大增益1.57dBi，（b）1.8GHz天线最大增益为4.66dBi,（c）2.45GHz天线的最大增益为3.92dBi。
本发明具有尺寸小（亚波长）、重量轻、成本低、增益较高等优点，适合应用于无线能量收集系统，为WSN和RFID等电子设备供电。

Claims (4)

1.一种刻蚀螺旋地的仿局域表面等离激元超材料亚波长整流天线，其特征在于，由上至下依次包括刻槽金属圆环结构（1），上层介质层（2），微带线金属贴片（3），下层介质层（4）和刻蚀螺旋结构的金属地板（5）；所述刻槽金属圆环结构（1），上层介质层（2），微带线金属贴片（3），下层介质层（4）和金属地板（5）之间相互贴合。
2.根据权利要求1所述的刻蚀螺旋地的仿局域表面等离激元超材料亚波长整流天线，其特征在于，所述刻槽金属圆环结构（1）上刻蚀沿圆周方向均匀分布的凹槽，被环形结构（6）分为内外凹槽两部分，其中内凹槽为直凹槽，外凹槽由两段直凹槽组成，剩余金属部分呈近似“T”字型结构。
3.根据权利要求1所述的刻蚀螺旋地的仿局域表面等离激元超材料亚波长整流天线，其特征在于，在上层介质层（2），下层介质层（4）之间设有微带线金属贴片（3），所述微带线金属贴片（3）由一条短金属贴片（12）和置于短金属贴片（12）末端的圆形结构（13）组合而成；所述圆形结构（13）与环形结构（6）的内圆内切。
4.根据权利要求1所述的刻蚀螺旋地的仿局域表面等离激元超材料亚波长整流天线，其特征在于，所述金属地板（5）的底面刻蚀螺旋结构（16），所述螺旋结构（16）呈镜面对称分布。
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