CN108134189A - WiFi电磁能转换自充电系统 - Google Patents

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CN108134189A CN201711253376.3A CN201711253376A CN108134189A CN 108134189 A CN108134189 A CN 108134189A CN 201711253376 A CN201711253376 A CN 201711253376A CN 108134189 A CN108134189 A CN 108134189A
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范悦
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Abstract

本发明公开了一种WiFi电磁能转换自充电系统，包括由上到下尺寸一致且相互贴合的介质基板和接地板，其中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，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

WiFi电磁能转换自充电系统
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WiFi电磁能转换自充电系统。
背景技术
无线能量传输技术是一项崭新的技术，该技术能够弥补接触供电方式存在的供电线路安全性差、接触火花等一系列缺陷。在工业、民用及军事国防领域有诸多重要的应用，因此对该项技术的研究具有重要的科学意义。目前，在对无线能量传输技术的研究中，研究者多是将研究重点放在了无线能量传输系统能量最大化的接收等方面。
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WiFi电磁能转换自充电系统，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，WiFi电磁能转换自充电系统，其特征在于包括由上到下尺寸一致介质基板和接地板，其中介质基板上表面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，接地板上设有与圆柱形金属导体底面同心的圆孔；所述金属天线贴片的圆形覆盖面的半径为0.099λ，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RogersRO6010，介电常数εr＝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，根据以下公式设计线段1、线段2、线段3和线段4：
依次顺时线段1、线段2、线段3和线段4，得到多边形OO1O2O3，将多边形OO1O2O3沿x轴和y轴方向上的长度分别缩小到原来的0.8倍，得到缩小图形1，以点O(-10mm，0mm)作为旋转点，将缩小图形1顺时针旋转30°，得到旋转图形1，将多边形OO1O2O3以点O(-10mm，0mm)作为旋转点，顺时针旋转60°，得到旋转图形2，将多边形OO1O2O3沿x轴和y轴方向上的长度分别缩小到原来的0.5倍，得到缩小图形3，以点O(-10mm，0mm)作为旋转点，将多边形OO1O2O3顺时针旋转90°，得到旋转图形3，将旋转图形1、旋转图形2和旋转图形3进行x轴对称，得到对称图形1、对称图形2和对称图形3，将多边形OO1O2O3沿x轴和y轴方向上的长度分别扩大到原来的1.2倍，得到扩大图形1，依次连接点E(10mm，10mm)和F(10mm,-10mm)，得到等腰三角形WEF。将扩大图形1、旋转图形1、旋转图形2、旋转图形3、对称图形1、对称图形2、对称图形3和等腰三角形WEF合并，得到初始图形1，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转36°并沿x轴和y轴方向上的长度分别缩小到原来的0.8倍，得到初始图形2，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转72°，得到初始图形3，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转108°并沿x轴和y轴方向上的长度分别缩小到原来的0.8倍，得到初始图形4，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转144°，得到初始图形5，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转180°并沿x轴和y轴方向上的长度分别缩小到原来的0.8倍，得到缩小的初始图形6，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转216°，得到初始图形7，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转252°并沿x轴和y轴方向上的长度分别缩小到原来的0.8倍，得到初始图形8，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转288°，得到初始图形9，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转324°并沿x轴和y轴方向上的长度分别缩小到原来的0.8倍，得到初始图形10，初始图形1、初始图形2、初始图形3、初始图形4、初始图形5、初始图形6、初始图形7、初始图形8、初始图形9和初始图形10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0.25倍得到所需特定形状和尺寸的金属天线贴片得到所需的金属贴片；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16.38mm、16.38mm、13.62mm和13.62mm，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：WiFi电磁能转换自充电系统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WiFi电磁能转换自充电系统结构示意图；
图3是利用HFSS天线模拟仿真软件模拟的WiFi电磁能转换自充电系统的回波损耗图；
图4是利用HFSS天线模拟仿真软件模拟的WiFi电磁能转换自充电系统的3D增益图。
图中：1、介质基板，2、接地板，3、金属天线贴片，4、圆柱形金属导体，5、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WiFi电磁能转换自充电系统设计，在微带天线设计时需要对WiFi电磁能转换自充电系统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WiFi电磁能转换自充电系统。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：
在(1)式中，c为光速，f0为禁带中心频率，εr为相对介电常数。
微带天线介质基板的相对有效介电常数εre为：
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：
其中fu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：
则微带天线贴片的长度L为：
接地板的尺寸Lg×Wg满足下列理论公式
Lg≥L+6h (6)
Wg≥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，WiFi电磁能转换自充电系统，包括由上到下尺寸一致且相互贴合的介质基板1和接地板2，其中介质基板1上表面贴附有金属天线贴片3，介质基板1的中部设有垂直贯穿介质基板1的圆柱形金属导体4，接地板2上设有与圆柱形金属导体4底面同心的圆孔5；所述金属天线贴片3的圆形覆盖面的半径为0.099λ，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1的材料为Rogers RO6010，介电常数εr＝10.2，厚度d＝2.54mm，长度和宽度均为30mm，金属天线贴片3的中心点与介质基板1上表面的中心点位置一致；所述金属天线贴片3的设计形状及尺寸满足如下要求，建立平面直角坐标系，根据以下公式初级设计线段1、线段2、线段3和线段4：
依次顺时线段1、线段2、线段3和线段4，得到多边形OO1O2O3，将多边形OO1O2O3沿x轴和y轴方向上的长度分别缩小到原来的0.8倍，得到缩小图形1，以点O(-10mm，0mm)作为旋转点，将缩小图形1顺时针旋转30°，得到旋转图形1，将多边形OO1O2O3以点O(-10mm，0mm)作为旋转点，顺时针旋转60°，得到旋转图形2，将多边形OO1O2O3沿x轴和y轴方向上的长度分别缩小到原来的0.5倍，得到缩小图形3，以点O(-10mm，0mm)作为旋转点，将多边形OO1O2O3顺时针旋转90°，得到旋转图形3，将旋转图形1、旋转图形2和旋转图形3进行x轴对称，得到对称图形1、对称图形2和对称图形3，将多边形OO1O2O3沿x轴和y轴方向上的长度分别扩大到原来的1.2倍，得到扩大图形1，依次连接点E(10mm，10mm)和F(10mm,-10mm)，得到等腰三角形WEF。将扩大图形1、旋转图形1、旋转图形2、旋转图形3、对称图形1、对称图形2、对称图形3和等腰三角形WEF合并，得到初始图形1，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转36°并沿x轴和y轴方向上的长度分别缩小到原来的0.8倍，得到初始图形2，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转72°，得到初始图形3，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转108°并沿x轴和y轴方向上的长度分别缩小到原来的0.8倍，得到初始图形4，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转144°，得到初始图形5，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转180°并沿x轴和y轴方向上的长度分别缩小到原来的0.8倍，得到缩小的初始图形6，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转216°，得到初始图形7，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转252°并沿x轴和y轴方向上的长度分别缩小到原来的0.8倍，得到初始图形8，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转288°，得到初始图形9，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转324°并沿x轴和y轴方向上的长度分别缩小到原来的0.8倍，得到初始图形10，初始图形1、初始图形2、初始图形3、初始图形4、初始图形5、初始图形6、初始图形7、初始图形8、初始图形9和初始图形10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0.25倍得到所需特定形状和尺寸的金属天线贴片3；所述圆柱形金属导体4的一端与金属天线贴片3连接，圆柱形金属导体4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4与金属天线贴片3的连接处圆心与介质基板1四条侧边的垂直距离分别为16.38mm、16.38mm、13.62mm和13.62mm，与圆柱形金属导体4相对的接地板2上圆孔的孔径R＝1.9mm；所述圆柱形金属导体4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WiFi电磁能转换自充电系统的回波损耗图，由图可知，该WiFi电磁能转换自充电系统的回波损耗为-32dB，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WiFi电磁能转换自充电系统的3D增益图，由图可知，该WiFi电磁能转换自充电系统在2.45GHz的增益为3.25dB，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.WiFi电磁能转换自充电系统，其特征在于包括由上到下尺寸一致介质基板和接地板，其中介质基板上表面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，接地板上设有与圆柱形金属导体底面同心的圆孔；所述金属天线贴片的圆形覆盖面的半径为0.099λ，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εr＝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，根据以下公式设计线段1、线段2、线段3和线段4：
依次顺时线段1、线段2、线段3和线段4，得到多边形OO1O2O3，将多边形OO1O2O3沿x轴和y轴方向上的长度分别缩小到原来的0.8倍，得到缩小图形1，以点O(-10mm，0mm)作为旋转点，将缩小图形1顺时针旋转30°，得到旋转图形1，将多边形OO1O2O3以点O(-10mm，0mm)作为旋转点，顺时针旋转60°，得到旋转图形2，将多边形OO1O2O3沿x轴和y轴方向上的长度分别缩小到原来的0.5倍，得到缩小图形3，以点O(-10mm，0mm)作为旋转点，将多边形OO1O2O3顺时针旋转90°，得到旋转图形3，将旋转图形1、旋转图形2和旋转图形3进行x轴对称，得到对称图形1、对称图形2和对称图形3，将多边形OO1O2O3沿x轴和y轴方向上的长度分别扩大到原来的1.2倍，得到扩大图形1，依次连接点E(10mm，10mm)和F(10mm,-10mm)，得到等腰三角形WEF，将扩大图形1、旋转图形1、旋转图形2、旋转图形3、对称图形1、对称图形2、对称图形3和等腰三角形WEF合并，得到初始图形1，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转36°并沿x轴和y轴方向上的长度分别缩小到原来的0.8倍，得到初始图形2，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转72°，得到初始图形3，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转108°并沿x轴和y轴方向上的长度分别缩小到原来的0.8倍，得到初始图形4，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转144°，得到初始图形5，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转180°并沿x轴和y轴方向上的长度分别缩小到原来的0.8倍，得到缩小的初始图形6，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转216°，得到初始图形7，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转252°并沿x轴和y轴方向上的长度分别缩小到原来的0.8倍，得到初始图形8，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转288°，得到初始图形9，将初始图形1以点作为旋转点，顺时针旋转324°并沿x轴和y轴方向上的长度分别缩小到原来的0.8倍，得到初始图形10，初始图形1、初始图形2、初始图形3、初始图形4、初始图形5、初始图形6、初始图形7、初始图形8、初始图形9和初始图形10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0.25倍得到所需特定形状和尺寸的金属天线贴片得到所需的金属贴片；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16.38mm、16.38mm、13.62mm和13.62mm，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。
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