CN106848548B - 用于能量收集的低剖面多频平面螺旋缝隙天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于能量收集的低剖面多频平面螺旋缝隙天线，解决的技术问题：针对背景技术中提及的现有天线用于能量收集时，由于周围射频电磁波能量微弱，现有多频天线增益低的技术缺陷。采取的技术方案，一种用于能量收集的低剖面多频平面螺旋缝隙天线，包括单层介质基板，设置在单层介质基板上表面的辐射单元，设置在单层介质基板下表面的馈电巴伦。本发明的有益效果是：本用于能量收集的低剖面多频平面螺旋缝隙天线，该天线具有低剖面、重量轻、高增益、易于和平面电路集成等优点，能用于同时收集移动通信2G/3G/4G信号和无线局域网信号，不需要采用多个天线接收不同频率的信号，降低了系统成本。

Description

用于能量收集的低剖面多频平面螺旋缝隙天线
技术领域
本发明涉及平面螺旋缝隙天线，尤其是一种用于能量收集的低剖面多频平面螺旋缝隙天线。
背景技术
随着人口的增加和工业化的发展，现代社会面临着越来越严重的能源危机。因此，收集周围环境中的能量成为了一直以来的研究热点。环境中的能量源包括太阳能、风能以及射频电磁波能量等。由于通信技术的发展，射频电磁波在人们周围大量充斥，在移动通信和无线局域网络覆盖区域同时存在2G\3G\4G\WIFI等不同标准的信号，射频电磁波相比于太阳、风等不受环境和时间因素的影响，能持续不断提供能量，是一种稳定的能量源。射频电磁波能量收集技术中最重要的部分之一是整流天线的分析设计，也是国内外相关专家学者关注的热点。整流天线技术是一种将接收天线和整流电路相结合、将射频能量转换为直流能量的技术。整流天线中需要多频接收天线来接收来自多个通信频段的信号。
目前，针对能同时接收2G\3G\4G\WIFI信号的多频天线研究，大多数是用于移动终端，天线增益较小。例如，申请号为CN201610127824.4的专利提出了一种无集总参数元件可供移动终端用的多频段天线，实现了常见移动通信信号低频段和高频段的全覆盖，在低频段(LTE700、GSM850、GSM900)，实例天线的实测增益为-0.2dBi一3.73dBi；在高频段(DCS、PCS、UMTS、LTE2300和LTE2500)，实例天线的实测增益为1.98dBi一3.91dBi；申请号为CN201410462587.8的专利提出了一种2G、3G、4G整合多频天线及无线通讯终端，通过合理设计天线的走线形状从而实现了将2G\3G\4G独立的3个频段合成为2个频段且整合在一个天线中，天线增益最高为2.5dBi。然而，在天线用于能量收集时，由于周围射频电磁波能量微弱，需要高增益的接收天线。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对背景技术中提及的现有天线用于能量收集时，由于周围射频电磁波能量微弱，现有多频天线增益低的技术缺陷。
本发明的目的是，提供一种同时接收移动通信信号和无线局域网信号的增益高的多频接收天线。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：一种用于能量收集的低剖面多频平面螺旋缝隙天线，包括单层介质基板，设置在单层介质基板上表面的辐射单元，设置在单层介质基板下表面的馈电巴伦；
单层介质基板上设置金属通孔；
辐射单元为蚀刻有两条等角螺旋金属臂且形成平面等角螺旋缝隙的金属圆盘，金属圆盘的中心区域处是两条等角螺旋金属臂的起始端，两条等角螺旋金属臂的起始端在金属圆盘的中心区域处断开；在金属圆盘的左右两端边沿处对称设置左基板边沿平面金属条和右基板边沿平面金属条，左基板边沿平面金属条和右基板边沿平面金属条均连接等角螺旋金属臂的末端，左基板边沿平面金属条和右基板边沿平面金属条的两端均向内设置弯钩；
馈电巴伦为螺旋状金属平面带，螺旋状金属平面带的一端在处于单层介质基板的中心区域处为起始端，起始端通过单层介质基板上的金属通孔与辐射单元内的其中一个等角螺旋金属臂连通；螺旋状金属平面带的另一端为末端，末端为天线馈电处。
本发明技术方案，单层介质基板的上表面辐射单元起到对外辐射电磁波作用，外形像带弯钩扁担的左基板边沿平面金属条和右基板边沿平面金属条有利于提供低频段谐振、提高天线增益。单层介质基板的下表面螺旋带状馈电巴伦和天线表面集成，起到阻抗匹配和馈电作用。本发明的天线测试时，不需要像传统平面螺旋天线一样加额外的巴伦。通过采用这样的天线结构，实现了天线的多频高增益全向辐射性能。
对本发明技术方案的改进，两条等角螺旋金属臂的末端均蚀刻有椭圆缝隙。椭圆缝隙用来调节天线的轴比，让天线圆极化辐射。
对本发明技术方案的改进，金属圆盘的半径≥单层介质基板宽度的二分之一。
对本发明技术方案的改进，金属圆盘的最大尺寸＜单层介质基板的宽度。
对本发明技术方案的改进，左基板边沿平面金属条与右基板边沿平面金属条的最大长度均为天线最低工作频率时对应真空中波长的0.2-0.5倍。本发明技术方案中的外形像带弯钩扁担的左基板边沿平面金属条与右基板边沿平面金属条的长度可以根据低频段谐振频率点大小的设计需要自行调节长度，左基板边沿平面金属条与右基板边沿平面金属条的长度可以不一致。
对本发明技术方案的改进，平面等角螺旋缝隙面积小于金属圆盘面积。太小会让天线不能有效辐射。
本发明的有益效果是：
1、本用于能量收集的低剖面多频平面螺旋缝隙天线，该天线具有低剖面、重量轻、高增益、易于和平面电路集成等优点，能用于同时收集移动通信2G/3G/4G信号和无线局域网信号，不需要采用多个天线接收不同频率的信号，降低了系统成本。
2、本用于能量收集的低剖面多频平面螺旋缝隙天线，区别于现有常见移动终端多频段天线，将平面螺旋天线技术进一步改进，通过将蚀刻有平面等角螺旋缝隙的金属圆盘和两个外形如带弯钩扁担的金属条连通，再采用集成的螺旋状金属馈电带，实现了能同时接收2G\3G\4G\WIFI信号的多频高增益接收天线，在垂直于天线基板的平面内天线辐射接近于全向性，天线增益高、低剖面。
附图说明
图1是设置在单层介质基板上表面的辐射单元的示意图。
图2是图1中的A处放大视图。
图3是设置在单层介质基板下表面的馈电巴伦的示意图。
图4是图3中的B处放大视图。
图5是本发明的天线反射系数S11随频率变化图。
图6是本发明的天线增益随频率变化图。
图7是本发明的天线Phi＝0的平面垂直面辐射方向图。
图8是本发明的天线Phi＝90的平面垂直面辐射方向图。
其中：1、金属圆盘，2、左基板边沿平面金属条，3、右基板边沿平面金属条，4、螺旋状金属平面带，5、金属通孔，6、天线馈电处。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图1-图8和具体实施方式做进一步的描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本实施例中用于能量收集的低剖面多频平面螺旋缝隙天线，包括单层介质基板，设置在单层介质基板上表面的辐射单元，设置在单层介质基板下表面的馈电巴伦。
单层介质基板上设置金属通孔5。
辐射单元为蚀刻有两条等角螺旋金属臂且形成平面等角螺旋缝隙的金属圆盘1，金属圆盘1的中心区域处是两条等角螺旋金属臂的起始端，两条等角螺旋金属臂的起始端在金属圆盘的中心区域处断开；在金属圆盘的左右两端边沿处对称设置左基板边沿平面金属条2和右基板边沿平面金属条3，左基板边沿平面金属条和右基板边沿平面金属条均连接等角螺旋金属臂的末端，左基板边沿平面金属条和右基板边沿平面金属条的两端均向内设置弯钩。如图1和2所示。
馈电巴伦为螺旋状金属平面带4，螺旋状金属平面带的一端在处于单层介质基板的中心区域处为起始端，起始端通过单层介质基板上的金属通孔5与辐射单元内的其中一个等角螺旋金属臂连通；螺旋状金属平面带的另一端为末端，末端为天线馈电处6。如图3和4所示。
本用于能量收集的低剖面多频平面螺旋缝隙天线，平面等角螺旋缝隙面积小于金属圆盘面积。金属圆盘的半径≥单层介质基板宽度的二分之一。金属圆盘的最大尺寸＜单层介质基板的宽度。本发明的天线，上表面辐射单元蚀刻的平面螺旋缝隙大小不超过金属圆盘1；通过调节带弯钩左基板边沿平面金属条2与右基板边沿平面金属条3的长度，可以改变低频段的频率和阻抗匹配，左基板边沿平面金属条2与右基板边沿平面金属条3的最大长度均为天线最低工作频率时对应真空中波长的0.2-0.5倍；分别在两条等角平面螺旋金属臂的末端均蚀刻有椭圆缝隙，可以用来调节天线的轴比，让天线圆极化辐射。
本发明的天线测试时，不需要像传统平面螺旋天线一样加额外的巴伦，天线馈电方式为同轴馈电方式，同轴电缆或SMA内导体穿过金属通孔5焊接到单层介质基板的下表面螺旋状金属平面带4的末端天线馈电处6，同轴电缆或SMA外导体焊接到单层介质基板的上表面辐射单元的带弯钩的右基板边沿平面金属条3。
本发明的各个尺寸参数相互影响制约，天线的排布及结构设计对天线的性能影响较大，实际应用中根据性能要求和安装条件的限制，需要对天线的性能参数，例如方向图、方向性系数、效率、输入阻抗、极化和频带等进行综合研究，本发明经过对天线的尺寸、性能、结构排布等方面的权衡，最终得到了下述较佳的结构实施方式，由下述具体实施例的性能参数可见，本发明的结构具有显著的进步效果。
当天线基板采用厚度为1.5mm的宽介电常数聚四氟乙烯玻璃布覆铜基板，这基板的相对介电常数εr都为2.2，损耗角正切tanδ为0.001，本发明的优选方案为：天线方形基板的总长度L1和总宽度W1分别为96mm和96mm，天线带弯钩扁担的金属条2和3的长度为96mm，宽度W2和W3分别为6.8mm和8.5mm；2个椭圆缝隙的离心率是0.86，长半轴为2mm；基板内金属通孔5的直径为0.36mm；平面螺旋缝隙最外缘的半径R0等于41mm，金属圆盘1的半径R1等于45mm。
图5给出了该用于能量收集的低剖面多频平面螺旋缝隙天线的反射系数S11随频率变化的仿真曲线和测量曲线，测量结果和仿真结果基本接近，测试结果说明当对应的S11小于-10dB时，该多频段天线能同时工作在0.863～0.953GHz、1.435～2.175GHz和2.273～2.465GHz频段。可以用来接收工作频率处于该频段的常见移动通信信号和无线局域网信号，如中国电信的FDD-LTE信号、GSM900信号、GSM1800信号、Wifi无线局域网信号、WiMAX无线局域网信号、中国电信/移动/联通的4G信号等。
图6给出了该天线的增益随频率变化图，如图所示可见该天线的最大增益在观察的频率范围内可以达到7.35dBi，在0.863～0.953GHz频段的增益在7.35～5.8dBi之间，在1.45～2.175GHz频段的增益在4.0～5.6dBi之间，在2.273～2.465GHz频段的增益在4.0～5.28dBi之间。同时，将该天线金属圆盘1的左右两端边沿处的外形如带弯钩扁担的金属条2和3去掉，仿真结果显示增益变差、反射系数S11恶化，可见通过采用本发明提供的天线技术，提高了天线的辐射性能。
如图7、8所示，是该用于能量收集的低剖面多频平面螺旋缝隙天线在与天线基板平面垂直的2个正交平面内的辐射方向图(采用球坐标时，Phi＝0的平面和Phi＝90的平面)，可见天线在各个频段谐振点在与天线基板平面垂直的Phi＝90的平面垂直面接近具有全向辐射特性。天线在0.863～0.953GHz是线极化辐射，在1.435～2.175GHz和2.273～2.465GHz频段天线近似为圆极化辐射。
凡本发明说明书中未作特别说明的均为现有技术或者通过现有的技术能够实现，应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于能量收集的低剖面多频平面螺旋缝隙天线，其特征在于：包括单层介质基板，设置在单层介质基板上表面的辐射单元，设置在单层介质基板下表面的馈电巴伦；
单层介质基板上设置金属通孔；
辐射单元为蚀刻有两条等角螺旋金属臂且形成平面等角螺旋缝隙的金属圆盘，金属圆盘的中心区域处是两条等角螺旋金属臂的起始端，两条等角螺旋金属臂的起始端在金属圆盘的中心区域处断开；在金属圆盘的左右两端边沿处对称设置左基板边沿平面金属条和右基板边沿平面金属条，左基板边沿平面金属条和右基板边沿平面金属条均连接等角螺旋金属臂的末端，左基板边沿平面金属条和右基板边沿平面金属条的两端均向内设置弯钩；
馈电巴伦为螺旋状金属平面带，螺旋状金属平面带的一端在处于单层介质基板的中心区域处为起始端，起始端通过单层介质基板上的金属通孔与辐射单元内的其中一个等角螺旋金属臂连通；螺旋状金属平面带的另一端为末端，末端为天线馈电处。
2.采用权利要求1所述的用于能量收集的低剖面多频平面螺旋缝隙天线，其特征在于，两条等角螺旋金属臂的末端均蚀刻有椭圆缝隙。
3.采用权利要求1所述的用于能量收集的低剖面多频平面螺旋缝隙天线，其特征在于，金属圆盘的最大尺寸＜单层介质基板的宽度。
4.采用权利要求1所述的用于能量收集的低剖面多频平面螺旋缝隙天线，其特征在于，左基板边沿平面金属条与右基板边沿平面金属条的最大长度均为天线最低工作频率时对应真空中波长的0.2-0.5倍。
5.采用权利要求1所述的用于能量收集的低剖面多频平面螺旋缝隙天线，其特征在于，平面等角螺旋缝隙面积小于金属圆盘面积。
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