CN106252865A - 消除损耗的高频能量收集天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除损耗的高频能量收集天线，包括由上到下尺寸一致且相互贴合的介质覆盖层、介质基板和接地板，其中与介质覆盖层贴合一侧的介质基板上贴附有金属天线贴片，介质基板的中部设有垂直贯穿介质基板的圆柱形金属导体和四个圆柱形孔洞，接地板上设有与圆柱形金属导体底面同心的圆孔。本发明具有更低的回波损耗、良好的阻抗匹配和驻波比以及较高的增益，从而能够高效接收环境中的射频能量。

Description

消除损耗的高频能量收集天线

技术领域

本发明属于电磁能量接收天线技术领域，具体涉及一种用于接收环境中射频能量的消除损耗的高频能量收集天线。

背景技术

在智能建筑中，每个建筑物至少有上百个的传感器节点分布于建筑体中的各个部位，用于监测温度、亮度和人流量等参数；通过布线为这些传感器节点提供电源，其代价是十分昂贵的，而采用电池供电主要面临的问题是往后如何判断哪些节点的电池已耗尽并进行更换，这在商业上是难以接受的，采用环境射频能量收集技术辅以可充电电池则是其比较理想的供电方式。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种结构简单且设计合理的消除损耗的高频能量收集天线，该天线较其它天线而言拥有的更小的尺寸、相对较低的回拨损耗、良好的阻抗匹配和较高的增益。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，消除损耗的高频能量收集天线，其特征在于包括由上到下尺寸一致且相互贴合的介质覆盖层、介质基板和接地板，其中与介质覆盖层贴合一侧的介质基板上贴附有金属天线贴片，介质基板的中部设有垂直贯穿介质基板的圆柱形金属导体和四个圆柱形孔洞，接地板上设有与圆柱形金属导体底面同心的圆孔，所述介质覆盖层的材料为Rogers RO6002，介电常数ε_r＝2.94，厚度d＝0.51mm，长度和宽度均为30mm；所述金属天线贴片的圆形覆盖面的半径为0.0967λ，其中λ＝122mm，λ为2.45GHz射频的波长，厚度为0.02mm，材料为铜，所述介质基板的材料为Rogers RO6010，介电常数ε_r＝10.2，厚度d＝2.54mm，长度和宽度均为30mm，金属天线贴片的中心点与介质基板上表面的中心点位置一致；所述金属天线贴片的设计形状及尺寸满足如下要求，建立平面直角坐标系，将原点(0mm，0mm)作为起点，沿x轴正方向作出一条长为18mm的线段一，将线段一以点(18mm，0mm)作为旋转点逆时针旋转127.5°得到线段二，再沿线段二与x轴夹角为52.5°的方向，在坐标轴第四区间内延长到原来的2倍，得到延长线段二以直线为对称轴作镜面对称得到延长线段三，延长线段二和延长线段三的交点为此点在直线上，将延长线段二和延长线段三的相交线在直线两侧较短的线段部分分别删去，再次将原点(0mm，0mm)作为起点，根据以下公式进行天线贴片形状设计：

y＝0(0≤x≤2.5) (1)

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+5x-4.6875}-1.25& (-1.25\≤y\≤0)& (2.5\≤x\≤3.75)\end{array}---\left(2\right)$

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+8.125x-16.40625}-1.25& (-1.5625\≤y\≤-1.25)& (3.75\≤x\≤4.375)\end{array}---\left(3\right)$

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+9.375x-21.875}-1.25& (-1.25\≤y\≤-0.9375)& (4.375\≤x\≤5)\end{array}---\left(4\right)$

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+11.25x-31.25}-1.25& (-1.875\≤y\≤-1.25)& (5\≤x\≤6.25)\end{array}---\left(5\right)$

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+15x-54.6875}-1.25& (-1.25\≤y\≤0)& (6.25\≤x\≤7.5)\end{array}---\left(6\right)$

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+15x-50}-2.5& (-2.5\≤y\≤0)& (7.5\≤x\≤10)\end{array}---\left(7\right)$

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+23.75x-137.5}-2.5& (-5\≤y\≤-2.5)& (10\≤x\≤13.75)\end{array}---\left(8\right)$

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+32.5x-257.8125}-2.5& (-2.5\≤y\≤0)& (13.75\≤x\≤16.25)\end{array}---\left(9\right)$

y＝0(16.25≤x≤18) (10)

将由公式所得到的全部曲线依次首尾相连，在x轴和y轴平面内得到初始图形一，将初始图形一以直线为对称轴作镜面对称得到初始图形二，初始图形一、初始图形二、线段二和线段三合并得到旋转图形一，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针依次旋转45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°，分别得到旋转图形二、旋转图形三、旋转图形四、旋转图形五、旋转图形六、旋转图形七和旋转图形八，旋转图形一、旋转图形二、旋转图形三、旋转图形四、旋转图形五、旋转图形六、旋转图形七和旋转图形八合并得到封闭图形，将封闭图形的圆形覆盖面的半径缩小到原来的0.31622倍得到所需金属天线贴片的设计形状及尺寸，按照设计形状及尺寸裁剪得到金属天线贴片；所述介质基板上四个圆柱形孔洞的半径均为0.5mm，四个圆柱形孔洞的圆心连线构成边长为22mm的正方形，该正方形上下边与介质基板上下侧边的垂直距离分别为3.2mm和4.8mm，正方形左右侧边与介质基板左右两侧的垂直距离分别为3mm和5mm；所述圆柱形金属导体的一端与金属天线贴片连接，圆柱形金属导体的材料为铜，其底面半径r＝0.5mm，厚度d＝2.54mm，圆柱形金属导体与金属天线贴片的连接处圆心与介质基板四条侧边的垂直距离分别为16.59mm、16.59mm、13.41mm和13.41mm，与圆柱形金属导体相对的接地板上圆孔的孔径R＝1.9mm，所述圆柱形金属导体另一端的输出接口与能量管理电路相连，该能量管理电路用于将吸收到的能量进行储存。

本发明的技术效果为：消除损耗的高频能量收集天线具有更低的回波损耗、良好的阻抗匹配和驻波比以及较高的增益，从而能够高效接收环境中的射频能量。

附图说明

图1是金属天线贴片的结构示意图；

图2是消除损耗的高频能量收集天线结构示意图；

图3是利用HFSS天线模拟仿真软件模拟的消除损耗的高频能量收集天线的回波损耗图；

图4是利用HFSS天线模拟仿真软件模拟的消除损耗的高频能量收集天线的增益图。

图中：1、介质覆盖层，2、介质基板，3、接地板，4、金属天线贴片，5、圆柱形金属导体，6、圆柱形孔洞，7、圆孔。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明具体实施过程中的技术方案进行清楚、完整、具体的描述。

此发明的核心部分是消除损耗的高频能量收集天线设计，在微带天线设计时需要对消除损耗的高频能量收集天线的金属天线贴片的尺寸，介质基板的尺寸、厚度进行理论上的估算，才能在模拟实验的时候更加快速精确的找到适合特定频率的消除损耗的高频能量收集天线。所以下面以矩形微带天线为例，讲解微带天线各个数据参数的理论计算方法。

贴片尺寸L×W，贴片宽度W为：

$W=\frac{c}{2f_0}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}\right)}^{-\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

在(1)式中，c为光速，f₀为禁带中心频率，ε_r为相对介电常数。

微带天线介质基板的相对有效介电常数ε_re为：

${\mathrm{\ϵ}}_{re}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{12h}{W})}^{-\frac{1}{2}}---\left(2\right)$

h表示介质层厚度，为了降低表面波辐射对天线性能的影响，介质基片的厚度应该满足一下的理论计算公式：

$h\≤\frac{0.3c}{2{\mathrm{\πf}}_u\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}---\left(3\right)$

其中f_u为微带天线的工作的最高频率。

微带天线的等效辐射缝隙长度△L为：

$\mathrm{\Δ}L=0.412h\frac{({\mathrm{\ϵ}}_{re}+0.3)(W/h+0.264)}{({\mathrm{\ϵ}}_{re}-0.258)(W/h+0.8)}---\left(4\right)$

则微带天线贴片的长度L为：

$L=\frac{c}{2f_0}\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{re}}}-2\mathrm{\Δ}L---\left(5\right)$

接地板的尺寸L_g×W_g满足下列理论公式

L_g≥L+6h (6)

W_g≥W+6h (7)

矩形微带天线用的是同轴线进行馈电，当确定了矩形贴片的长度和宽度后，一般在微带天线中加入50Ω的标准阻抗。

如图1-2所示，消除损耗的高频能量收集天线，包括由上到下尺寸一致且相互贴合的介质覆盖层1、介质基板2和接地板3，其中与介质覆盖层1贴合一侧的介质基板2上贴附有金属天线贴片4，介质基板2的中部设有垂直贯穿介质基板2的圆柱形金属导体5和四个圆柱形孔洞6，接地板3上设有与圆柱形金属导体5底面同心的圆孔7，所述介质覆盖层1的材料为Rogers RO6002，介电常数ε_r＝2.94，厚度d＝0.51mm，长度和宽度均为30mm；所述金属天线贴片4的圆形覆盖面的半径为0.0967λ，其中λ＝122mm，λ为2.45GHz射频的波长，厚度为0.02mm，材料为铜，所述介质基板2的材料为Rogers RO6010，介电常数ε_r＝10.2，厚度d＝2.54mm，长度和宽度均为30mm，金属天线贴片4的中心点与介质基板上表面的中心点位置一致；所述金属天线贴片4的设计形状及尺寸满足如下要求，建立平面直角坐标系，将原点(0mm，0mm)作为起点，沿x轴正方向作出一条长为18mm的线段一，将线段一以点(18mm，0mm)作为旋转点逆时针旋转127.5°得到线段二，再沿线段二与x轴夹角为52.5°的方向，在坐标轴第四区间内延长到原来的2倍，得到延长线段二以直线为对称轴作镜面对称得到延长线段三，延长线段二和延长线段三的交点为此点在直线上，将延长线段二和延长线段三的相交线在直线两侧较短的线段部分分别删去，再次将原点(0mm，0mm)作为起点，根据以下公式进行天线贴片形状设计：

y＝0(0≤x≤2.5) (1)

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+5x-4.6875}-1.25& (-1.25\≤y\≤0)& (2.5\≤x\≤3.75)\end{array}---\left(2\right)$

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+8.125x-16.40625}-1.25& (-1.5625\≤y\≤-1.25)& (3.75\≤x\≤4.375)\end{array}---\left(3\right)$

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+9.375x-21.875}-1.25& (-1.25\≤y\≤-0.9375)& (4.375\≤x\≤5)\end{array}---\left(4\right)$

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+11.25x-31.25}-1.25& (-1.875\≤y\≤-1.25)& (5\≤x\≤6.25)\end{array}---\left(5\right)$

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+15x-54.6875}-1.25& (-1.25\≤y\≤0)& (6.25\≤x\≤7.5)\end{array}---\left(6\right)$

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+15x-50}-2.5& (-2.5\≤y\≤0)& (7.5\≤x\≤10)\end{array}---\left(7\right)$

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+23.75x-137.5}-2.5& (-5\≤y\≤-2.5)& (10\≤x\≤13.75)\end{array}---\left(8\right)$

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+32.5x-257.8125}-2.5& (-2.5\≤y\≤0)& (13.75\≤x\≤16.25)\end{array}---\left(9\right)$

y＝0(16.25≤x≤18) (10)

将由公式所得到的全部曲线依次首尾相连，在x轴和y轴平面内得到初始图形一，将初始图形一以直线为对称轴作镜面对称得到初始图形二，初始图形一、初始图形二、线段二和线段三合并得到旋转图形一，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针依次旋转45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°，分别得到旋转图形二、旋转图形三、旋转图形四、旋转图形五、旋转图形六、旋转图形七和旋转图形八，旋转图形一、旋转图形二、旋转图形三、旋转图形四、旋转图形五、旋转图形六、旋转图形七和旋转图形八合并得到封闭图形，将封闭图形的圆形覆盖面的半径缩小到原来的0.31622倍得到所需金属天线贴片4的设计形状及尺寸，按照设计形状及尺寸裁剪得到金属天线贴片4；所述介质基板2上四个圆柱形孔洞6的半径均为0.5mm，四个圆柱形孔洞6的圆心连线构成边长为22mm的正方形，该正方形上下边与介质基板2上下侧边的垂直距离分别为3.2mm和4.8mm，正方形左右侧边与介质基板2左右两侧的垂直距离分别为3mm和5mm；所述圆柱形金属导体5的一端与金属天线贴片4连接，圆柱形金属导体5的材料为铜，其底面半径r＝0.5mm，厚度d＝2.54mm，圆柱形金属导体5与金属天线贴片4的连接处圆心与介质基板2四条侧边的垂直距离分别为16.59mm、16.59mm、13.41mm和13.41mm，与圆柱形金属导体5相对的接地板3上圆孔7的孔径R＝1.9mm，所述圆柱形金属导体5另一端的输出接口与能量管理电路相连，该能量管理电路用于将吸收到的能量进行储存。

图3是利用HFSS天线模拟仿真软件模拟的消除损耗的高频能量收集天线的回波损耗图，由图可知，该消除损耗的高频能量收集天线的回波损耗为-35.8dB，比其它相同体积天线的回波损耗还要小，性能非常好。

图4是利用HFSS天线模拟仿真软件模拟的消除损耗的高频能量收集天线在XZ平面内的增益图，由图可知，该消除损耗的高频能量收集天线在2.45GHz的最大增益为3.48dB，方向性非常的稳定。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (1)

1.消除损耗的高频能量收集天线，其特征在于包括由上到下尺寸一致且相互贴合的介质覆盖层、介质基板和接地板，其中与介质覆盖层贴合一侧的介质基板上贴附有金属天线贴片，介质基板的中部设有垂直贯穿介质基板的圆柱形金属导体和四个圆柱形孔洞，接地板上设有与圆柱形金属导体底面同心的圆孔，所述介质覆盖层的材料为Rogers RO6002，介电常数ε_r＝2.94，厚度d＝0.51mm，长度和宽度均为30mm；所述金属天线贴片的圆形覆盖面的半径为0.0967λ，其中λ＝122mm，λ为2.45GHz射频的波长，厚度为0.02mm，材料为铜，所述介质基板的材料为Rogers RO6010，介电常数ε_r＝10.2，厚度d＝2.54mm，长度和宽度均为30mm，金属天线贴片的中心点与介质基板上表面的中心点位置一致；所述金属天线贴片的设计形状及尺寸满足如下要求，建立平面直角坐标系，将原点(0mm，0mm)作为起点，沿x轴正方向作出一条长为18mm的线段一，将线段一以点(18mm，0mm)作为旋转点逆时针旋转127.5°得到线段二，再沿线段二与x轴夹角为52.5°的方向，在坐标轴第四区间内延长到原来的2倍，得到延长线段二以直线为对称轴作镜面对称得到延长线段三，延长线段二和延长线段三的交点为此点在直线上，将延长线段二和延长线段三的相交线在直线两侧较短的线段部分分别删去，再次将原点(0mm，0mm)作为起点，根据以下公式进行天线贴片形状设计：

y＝0 (0≤x≤2.5) (1)

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+5x-4.6875}-1.25& (-1.25\≤y\≤0)& (2.5\≤x\≤3.75)\end{array}---\left(2\right)$

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+8.125x-16.40625}-1.25& (-1.5625\≤y\≤-1.25)& (3.75\≤x\≤4.375)\end{array}---\left(3\right)$

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+9.375x-21.875}-1.25& (-1.25\≤y\≤-0.9375)& (4.375\≤x\≤5)\end{array}---\left(4\right)$

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+11.25x-31.25}-1.25& (-1.875\≤y\≤-1.25)& (5\≤x\≤6.25)\end{array}---\left(5\right)$

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+15x-54.6875}-1.25& (-1.25\≤y\≤0)& (6.25\≤x\≤7.5)\end{array}---\left(6\right)$

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+15x-50}-2.5& (-2.5\≤y\≤0)& (7.5\≤x\≤10)\end{array}---\left(7\right)$

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+23.75x-137.5}-2.5& (-5\≤y\≤-2.5)& (10\≤x\≤13.75)\end{array}---\left(8\right)$

$\begin{array}{ccc}y=\sqrt{-x^2+32.5x-257.8125}-2.5& (-2.5\≤y\≤0)& (13.75\≤x\≤16.25)\end{array}---\left(9\right)$

y＝0 (16.25≤x≤18) (10)

将由公式所得到的全部曲线依次首尾相连，在x轴和y轴平面内得到初始图形一，将初始图形一以直线为对称轴作镜面对称得到初始图形二，初始图形一、初始图形二、线段二和线段三合并得到旋转图形一，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针依次旋转45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°，分别得到旋转图形二、旋转图形三、旋转图形四、旋转图形五、旋转图形六、旋转图形七和旋转图形八，旋转图形一、旋转图形二、旋转图形三、旋转图形四、旋转图形五、旋转图形六、旋转图形七和旋转图形八合并得到封闭图形，将封闭图形的圆形覆盖面的半径缩小到原来的0.31622倍得到所需金属天线贴片的设计形状及尺寸，按照设计形状及尺寸裁剪得到金属天线贴片；所述介质基板上四个圆柱形孔洞的半径均为0.5mm，四个圆柱形孔洞的圆心连线构成边长为22mm的正方形，该正方形上下边与介质基板上下侧边的垂直距离分别为3.2mm和4.8mm，正方形左右侧边与介质基板左右两侧的垂直距离分别为3mm和5mm；所述圆柱形金属导体的一端与金属天线贴片连接，圆柱形金属导体的材料为铜，其底面半径r＝0.5mm，厚度d＝2.54mm，圆柱形金属导体与金属天线贴片的连接处圆心与介质基板四条侧边的垂直距离分别为16.59mm、16.59mm、13.41mm和13.41mm，与圆柱形金属导体相对的接地板上圆孔的孔径R＝1.9mm，所述圆柱形金属导体另一端的输出接口与能量管理电路相连，该能量管理电路用于将吸收到的能量进行储存。