CN106602285A - 一种宽频带可调无线能量收集超材料天线 - Google Patents

一种宽频带可调无线能量收集超材料天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽频带可调无线能量收集超材料天线，包括：矩形的双层线路板，双层线路板上层设置有至少一个矩形金属片状的辐射单元和一个矩形金属片状的发射台，双层线路板下层设置有金属接地板；辐射单元和发射台以几何中心位于双层线路板沿长边的中线的方式等距顺序排布，发射台的一边与双层线路板的一边重合设置；辐射单元和发射台之间连接有电容，电容的电容值可调；辐射单元的几何中心处通过金属化过孔连接至金属接地板；本发明具有宽频带和频段可调的特点，适用于环境中的微波无线能量采集，且在实现大范围无线电波能量收集的同时，还具有以下特点：结构简单、小型化特性、制造成本低及特别容易集成到其他的无线节点设备。

Description

一种宽频带可调无线能量收集超材料天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是指一种宽频带可调无线能量收集超材料天线。
背景技术
一直以来，由于受到电池容量的限制，无线传感器网络的供电问题是传感器节点设计过程中的一大挑战，这使得现有无线传感器网络生命周期长度十分有限。人们提出了无线电能传输的解决方案，根据传输机理的不同，无线电能传输可以分为电磁辐射式、电场耦合式、磁场耦合式以及超声波等方式，其中电磁辐射又包括无线电波和激光方式，磁场耦合式分为感应式和谐振式。无线电波方式因传输距离远、能量来源广泛、技术较为成熟等特点，得到了广泛的研究。
在日常的周围环境中，包含着各类无线电信号，包括卫星电视、广播、2G、3G、4G移动通信、蓝牙、Wi-Fi和其他无线信号。发明人希望收集到这些无线电信号，并将其转换成电能，供无线传感器网络设备使用。这些无线电信号的频率范围集中在620MHz～5.8GHz，如果想要收集所有频段信号的能量，那么就需要给每个频段设计一个天线，这样会导致系统非常庞大。而使用传统的超宽带天线，效率又十分低下。经过调研，发明人发现在每一个环境中，都存在一个功率最强的频段，称之为主频段，其功率远大于其他频段。专门针对该频段设计的天线，比超宽带天线的效率更高。但是，主频段不是固定不变的，而是随着电磁环境的变化而改变，现有的天线不能实现跟随电磁环境的改变调节工作频段，实用性不佳。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种宽频带、频带可调、小型化、结构简单、易于集成的宽频带可调无线能量收集超材料天线。
超材料是一种基于周期结构排列、具有特殊性能的人工材料，其中CRLH超材料是基于复合式左/右手传输线(CRLH TL，Composite Right/Left-Handed TransmissionLine)结构设计的一种超材料结构，该传输线结构具有较高的带宽、较低的损耗以及较高的增益等优势，可使用传输线理论分析其特性。
研究一段开放的复合式左/右手周期性传输线结构的一个周期单元，其等效电路模型如图1所示，其辐射特性取决于传播常数γ(γ＝α-jβ，α是衰减常数，β是相位常数)。可用k-β关系来描述该周期性传输结构。
该等效电路模型的参数值取决于全波仿真中获得的S参数。通过等效电路模型中取得的参数值可描述其左手超材料特性。设一个周期结构的空间长度为d。在理想情况下，即α＝0，电路的ABCD矩阵为：
e2jβd-2(1+Z(ω)·Y(ω))ejβd+1＝0
其中的相位常数可表示为：
这里的Z(ω)和Y(ω)分别是串联阻抗和并联导纳，其值取决于以下参数值。
损耗参数α会对最终的色散曲线造成一定误差，但通常情况，α的值非常小，因此α/k0的值可忽略不计，其中k0是自由空间的波数。
基于上述分析及上述的发明目的，本发明提供的一种宽频带可调无线能量收集超材料天线，包括：矩形的双层线路板，所述双层线路板上层设置有至少一个矩形金属片状的辐射单元和一个矩形金属片状的发射台，所述双层线路板下层设置有金属接地板；所述辐射单元和发射台以几何中心位于所述双层线路板沿长边的中线的方式等距顺序排布，所述发射台的一边与所述双层线路板的一边重合设置；所述辐射单元和发射台之间连接有电容，所述电容的电容值可调；所述辐射单元的几何中心处通过金属化过孔连接至所述金属接地板；所述辐射单元构成右手串联电感，所述辐射单元间的所述电容构成左手串联电容，所述辐射单元与金属接地板间的所述电容构成右手并联电容，所述金属化过孔构成左手并联电感，使所述宽频带可调无线能量收集超材料天线构成复合式左/右手传输线结构。
在一些实施方式中，所述辐射单元设置有三个，且任意两个所述辐射单元之间均连接有一个所述电容。
在一些实施方式中，所述辐射单元的长度为5.2mm，宽度为6mm；所述辐射单元之间、以及所述辐射单元与发射台之间的间距均为1mm。
在一些实施方式中，所述发射台与所述辐射单元等宽，所述发射台的长度为2mm。
在一些实施方式中，所述金属接地板的长度为25mm，宽度为10mm。
在一些实施方式中，所述电容的容值调节范围为0.5pF～8pF，对应的所述宽频带可调无线能量收集超材料天线的频带可调范围为620MHz～5.8GHz。
从上面所述可以看出，本发明提供的宽频带可调无线能量收集超材料天线，具有覆盖频带宽和频带可调的特点，适用于环境中的微波无线能量采集。本发明的所述天线在实现大范围无线电波能量收集的同时，还具有以下特点：结构简单、小型化特性、制造成本低及特别容易集成到其他的无线节点设备。经过实测验证，本发明的所述天线频带可调范围为620MHz～5.8GHz(回波损耗低于-10dB)。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为复合式左/右手传输线结构周期单元等效电路模型；
图2为本发明实施例的宽频带可调无线能量收集超材料天线俯视图；
图3为本发明实施例的宽频带可调无线能量收集超材料天线主视剖视图；
图4为本发明实施例的宽频带可调无线能量收集超材料天线右视剖视图；
图5为本发明实施例的宽频带可调无线能量收集超材料天线的等效电路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明实施例提供了一种宽频带可调无线能量收集超材料天线，包括：矩形的双层线路板，所述双层线路板上层设置有至少一个矩形金属片状的辐射单元和一个矩形金属片状的发射台，所述双层线路板下层设置有金属接地板；所述辐射单元和发射台以几何中心位于所述双层线路板沿长边的中线的方式等距顺序排布，所述发射台的一边与所述双层线路板的一边重合设置；所述辐射单元和发射台之间连接有电容；所述辐射单元的几何中心处通过金属化过孔连接至所述金属接地板。
超材料(Metamaterial)天线是基于人工电磁材料“左手材料”结构设计的天线，复合式左/右手传输线是超材料的一种，该传输线具有较高的带宽、较低的损耗以及较高的增益等优势。同时，基于复合式左/右手传输线设计的宽频带可调超材料天线，其左/右手谐振频率分别取决于串/并联的电容/电感，通过改变电容电感实现中心谐振频率的调整，从而实现宽频带和可调的特性。最后，由于不受传统天线理论中尺寸与半波长比拟的制约，该天线易于小型化设计，易于与现有无线传感器网络系统设备集成。因此，基于超材料结构设计的天线，可实现上述目标并解决背景技术中所述的现有技术中存在的技术问题，适用于无线电波能量收集。
本发明实施例的所述天线，基于复合左/右手传输线(CRLH TL)模型设计，其谐振频率分为右手谐振频率和左手谐振频率。右手谐振频率由所述辐射单元构成的串联电感，以及所述辐射单元与金属接地板构成的并联电容决定；左手谐振频率由所述辐射单元与金属接地板构成的并联电感，以及所述辐射单元间或所述辐射单元与发射台间的电容构成的串联电容决定。
参考图2、图3和图4，其中，图2为本发明实施例的宽频带可调无线能量收集超材料天线俯视结构图；图3为本发明实施例的宽频带可调无线能量收集超材料天线主视剖视图；图4为本发明实施例的宽频带可调无线能量收集超材料天线右视剖视图。
所述宽频带可调无线能量收集超材料天线，包括：矩形的双层线路板1。在双层线路板1的上层，设置有三个完全相同的、矩形金属片状的辐射单元2，以及一个矩形金属片状的发射台3。具体的，三个辐射单元2和发射台3等距顺序排布，且其几何中心均位于矩形的双层线路板1沿长边的中线上，发射台3的一边与双层线路板1的一边重合设置；参考图2所示，即发射台3设置在双层线路板1的右侧边缘位置，而三个辐射单元2均等距直线排布在发射台3的左侧。任意两个辐射单元2之间，以及发射台3与其相邻的辐射单元2之间，还均设置有电容4。在双层线路板1的下层，设置有金属接地板5。对于每一个辐射单元2，均从其几何中心位置处通过一金属化过孔6连接至金属接地板5。
本实施例的天线的主要工作部分在结构上采用平面过孔复合式结构的设计，其中，金属片状的辐射单元2构成右手串联电感，辐射单元2间的电容4构成左手串联电容；辐射单元2通过金属化过孔6与金属接地板5连接。辐射单元2与金属接地板5之间的电容构成右手并联电容、金属化过孔6构成左手并联电感。整体上来看，辐射单元2构成的右手串联电感和辐射单元2与金属接地板5间的右手并联电容形成右手传输线结构，金属化过孔6构成的左手并联电感和辐射单元2间左手串联电容形成左手传输线结构。本实施例的等效电路示意图参考图5所示。
本实施例中，所述的辐射单元2共有三块，大小尺寸一致，长度L2＝5.2mm，宽度为W1＝6mm，辐射单元2间的缝隙宽度Gap＝1mm。所述的金属接地板5长度L3＝25mm，宽度W2＝10mm。所述的金属化过孔6位置位于辐射单元2的几何中心，以发射台3的外沿(与双层线路板1重合一边)中点为原点，如图2所示建立直角坐标系，金属化过孔6的圆心坐标分别为：(0,5.6)、(0,11.8)、(0,18)，单位为mm。
本实施例中，所述天线使用单独一块金属片状单元提供馈电，即所述的发射台3，发射台3的长度L1＝2mm，其宽度与辐射单元2相同。馈电方式为侧馈，馈电位置在发射台3的中部位置。
复合式左/右手传输线结构与右手传输线结构都显示了谐振器的特性，一般来说，右手传输线结构的谐振器，其电尺寸的数值为正值，其对应的传播常数的数值亦为正值。而复合式左/右手传输线结构的谐振器不仅能够实现右手传输线结构的谐振器的特性，还存在零阶、负阶两种谐振特性。零阶谐振特性指的是谐振器处于谐振状态时，它的电尺寸的数值为零，其对应的传播常数的数值亦为零；而负阶谐振指的是当谐振器处于谐振状态时，它的电尺寸的数值为负值，其对应的传播常数的数值亦为负值。首先，我们可以利用这一特性实现天线的小型化。另一方面，CRLH TL可以通过LC集总网络实现，通过配置左右手对应的电感电容大小，从而改变谐振的频点。
本实施例中，所述天线在辐射单元2间设置电容4(即跨接电容)，通过变换串联电容4的容值，实现左手谐振频点的调节，从而实现天线的频带可调功能。本发明的天线使用的所述电容的容值范围为0.5pF～8pF。在此基础上，发明人可进一步采用可变电容芯片(型号：RFMD RF1108)实现电子式控制，在使用时，可变电容芯片相应的设置有控制器工作的外围电路。
改变集总电路中的左手电容电感值和右手电容电感值，可以独立的改变左右手的谐振频点，基于这一特性，发明人通过加入容值大小可配置的可变电容，通过改变左手电容的容值，实现天线频带可调。
控制电路采用并联设计，控制信号同步控制三块芯片，三块芯片的电容配置是一致的。PCB采用两层板设计，TOP层放置天线辐射片和芯片焊盘，以及走线，BOTTOM放置天线地。芯片的所有地和天线地共地。
基于上述实施例可见，本发明的宽频带可调无线能量收集超材料天线，是一种结构简单、实用、新颖的频带可调天线，相比传统超宽带天线具备更高的集能效率，同时，频带可调天线还具备更好的环境适应性，可根据不同的环境和需求，调整到相应的频段进行能量收集。适用于小功率物联网设备的无线能量收集。
本发明的宽频带可调无线能量收集超材料天线，其主要特点是：首先，不仅实现宽频带可调，性能优于传统超宽带天线，其次，采用平面金属结构，结构简单，共形性能良好；同时，几何尺寸非常小(仅25mm×10mm)、重量轻，易于集成在各种器件中；最后，采用侧馈式馈电，简单易用。因此本发明性能良好、制造成本低，具备较好的推广应用前景。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种宽频带可调无线能量收集超材料天线，其特征在于，包括：矩形的双层线路板，所述双层线路板上层设置有至少一个矩形金属片状的辐射单元和一个矩形金属片状的发射台，所述双层线路板下层设置有金属接地板；所述辐射单元和发射台以几何中心位于所述双层线路板沿长边的中线的方式等距顺序排布，所述发射台的一边与所述双层线路板的一边重合设置；所述辐射单元和发射台之间连接有电容，所述电容的电容值可调；所述辐射单元的几何中心处通过金属化过孔连接至所述金属接地板；所述辐射单元构成右手串联电感，所述辐射单元间的所述电容构成左手串联电容，所述辐射单元与金属接地板间的所述电容构成右手并联电容，所述金属化过孔构成左手并联电感，使所述宽频带可调无线能量收集超材料天线构成复合式左/右手传输线结构。
2.根据权利要求1所述的宽频带可调无线能量收集超材料天线，其特征在于，所述辐射单元设置有三个，且任意两个所述辐射单元之间均连接有一个所述电容。
3.根据权利要求1或2所述的宽频带可调无线能量收集超材料天线，其特征在于，所述辐射单元的长度为5.2mm，宽度为6mm；所述辐射单元之间、以及所述辐射单元与发射台之间的间距均为1mm。
4.根据权利要求3所述的宽频带可调无线能量收集超材料天线，其特征在于，所述发射台与所述辐射单元等宽，所述发射台的长度为2mm。
5.根据权利要求1所述的宽频带可调无线能量收集超材料天线，其特征在于，所述金属接地板的长度为25mm，宽度为10mm。
6.根据权利要求1所述的宽频带可调无线能量收集超材料天线，其特征在于，所述电容的容值调节范围为0.5pF～8pF，对应的所述宽频带可调无线能量收集超材料天线的频带可调范围为620MHz～5.8GHz。
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