CN108172985A - 小型化高频电磁波接收装置 - Google Patents

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王萌
施艳艳
范悦
刘伟娜
杨新伟
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Abstract

本发明公开了一种小型化高频电磁波接收装置，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

小型化高频电磁波接收装置
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小型化高频电磁波接收装置。
背景技术
无线传感器网络具有广泛的应用价值，涉及工业、农业、水文、军事、生物医学等各个领域。当前，电池仍然是无线传感器网络的主要能量来源，但是电池的寿命、尺寸以及维护和更换费用等，在某些场合是不能忍受的，而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小型化高频电磁波接收装置，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，小型化高频电磁波接收装置，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0.112λ，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，已知点A(0,5)、B1(-2，0)、B2(2，0)、C1(-6.25,-5.5)、C2(6.25,-5.5)、D1(-7.5,-9.5)、D2(7.5,-9.5)、E(0,-9.5-7.5tan2π/5)，得到线段AB1、AB2、C1D1、C2D2、D1E和D2E，再根据以下公式进行下列线段设计：
将以上公式得到的线段进行y轴对称，得到公式的对称线段，将由公式得到的线段、公式的对称线段与AB1、AB2、C1D1、C2D2、D1E和D2E依次连接，得到几何图形一，将几何图形一以点E(0,-9.5-7.5tan2π/5)作为旋转点，依次顺时针旋转90°、180°和270°，分别得到旋转图形二、旋转图形三和旋转图形四。将原始图形一分别沿着x轴和y轴的方向缩小为原来的0.8倍，再以点E(0,-9.5-7.5tan2π/5)作为旋转点，依次顺时针旋转36°、72°、108°、144°、180°、216°、252°、288°和324°，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、旋转图形八、旋转图形九和旋转图形十。几何图形一、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、旋转图形八、旋转图形九和旋转图形十合并，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0.3636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16.51mm、16.51mm、13.49mm和13.49mm，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：小型化高频电磁波接收装置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是小型化高频电磁波接收装置结构示意图；
图3是利用HFSS天线模拟仿真软件模拟的小型化高频电磁波接收装置的回波损耗图；
图4是利用HFSS天线模拟仿真软件模拟的小型化高频电磁波接收装置的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小型化高频电磁波接收装置设计，在微带天线设计时需要对小型化高频电磁波接收装置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小型化高频电磁波接收装置。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，小型化高频电磁波接收装置，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0.112λ，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，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，已知点A(0,5)、B1(-2，0)、B2(2，0)、C1(-6.25,-5.5)、C2(6.25,-5.5)、D1(-7.5,-9.5)、D2(7.5,-9.5)、E(0,-9.5-7.5tan2π/5)，得到线段AB1、AB2、C1D1、C2D2、D1E和D2E，再根据以下公式进行下列线段设计：
将以上公式得到的线段进行y轴对称，得到公式的对称线段，将由公式得到的线段、公式的对称线段与AB1、AB2、C1D1、C2D2、D1E和D2E依次连接，得到几何图形一，将几何图形一以点E(0,-9.5-7.5tan2π/5)作为旋转点，依次顺时针旋转90°、180°和270°，分别得到旋转图形二、旋转图形三和旋转图形四。将原始图形一分别沿着x轴和y轴的方向缩小为原来的0.8倍，再以点E(0,-9.5-7.5tan2π/5)作为旋转点，依次顺时针旋转36°、72°、108°、144°、180°、216°、252°、288°和324°，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、旋转图形八、旋转图形九和旋转图形十。几何图形一、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、旋转图形八、旋转图形九和旋转图形十合并，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0.3636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16.51mm、16.51mm、13.49mm和13.49mm，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小型化高频电磁波接收装置的回波损耗图，由图可知，该小型化高频电磁波接收装置的回波损耗为-36dB，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小型化高频电磁波接收装置的3D增益图，由图可知，该小型化高频电磁波接收装置在2.45GHz的增益为3.8dB。
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.小型化高频电磁波接收装置，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0.112λ，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，已知点A(0,5)、B1(-2，0)、B2(2，0)、C1(-6.25,-5.5)、C2(6.25,-5.5)、D1(-7.5,-9.5)、D2(7.5,-9.5)、E(0,-9.5-7.5tan2π/5)，得到线段AB1、AB2、C1D1、C2D2、D1E和D2E，再根据以下公式进行下列线段设计：
将以上公式得到的线段进行y轴对称，得到公式的对称线段，将由公式得到的线段、公式的对称线段与AB1、AB2、C1D1、C2D2、D1E和D2E依次连接，得到几何图形一，将几何图形一以点E(0,-9.5-7.5tan2π/5)作为旋转点，依次顺时针旋转90°、180°和270°，分别得到旋转图形二、旋转图形三和旋转图形四，将原始图形一分别沿着x轴和y轴的方向缩小为原来的0.8倍，再以点E(0,-9.5-7.5tan2π/5)作为旋转点，依次顺时针旋转36°、72°、108°、144°、180°、216°、252°、288°和324°，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、旋转图形八、旋转图形九和旋转图形十，几何图形一、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、旋转图形八、旋转图形九和旋转图形十合并，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0.3636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16.51mm、16.51mm、13.49mm和13.49mm，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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