CN108682941A - 太阳能圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一张太阳能圆极化天线，在介质基板(2)下方覆微带线开口圆环形馈电微带线(1)，太阳能电池板(3)位于介质基板(2)之上，金属地板(4)位于太阳能电池板(3)的上方，金属地板(4)作为天线与太阳能电池板(3)的共用接地板；位于金属地板(4)的上方的辐射贴片(5)与金属地板(4)之间为空气介质；太阳能电池板(3)上设置有贯穿与太阳能电池板(3)与金属地板(4)的米字形交叉缝隙(6)，开口圆环形馈电微带线(1)通过所述米字形交叉缝隙(6)与辐射贴片(5)进行耦合馈电从而产生电磁辐射。本发明通过天线本身结构来实现圆极化，并且馈电更加均匀，使得方向图有更好的对称性，有更好的波瓣宽度。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种天阳能圆极化天线。
背景技术
随着环境污染与绿色能源越来越受到各方面的关注，太阳能作为一种洁净的能源受到了市场的青睐。而随着科技水平的提高，太阳能电池新材料、新技术也不断涌现。在无线通信领域中，天线是现在无线通信设备中的关键部件，无线信号的一般通过天线来接受和发送。当太阳能电池应用于车载无线通信领域中时，若将太阳能系统与天线系统二者进行独立设计，二者互相争夺有限的空间资源且太阳能电池容易对天线性能造成影响。因此，集成天线与太阳能电池成为一种新的技术趋势。
目前集成太阳能电池板和天线主要有下述4种方法：
(1)将太阳能电池板直接置于天线的顶部使用，这种方法的缺点在于太阳能电池的遮挡可能将影响天线的辐射性能。
(2)使用透明导电材料如ITO(铟锡氧化物)作为天线基板，将天线集成于太阳能电池表面。ITO具有较高的透光性，对太阳能电池的发电量影响较小，但是材料昂贵。如申请号为201620140349.X的专利申请公开的一种基于ITO薄膜的太阳能天线，其辐射贴片与短路板固定连接，短路板通过铜片连接至微带馈线，馈线与辐射贴片相连。该结构设计较复杂，增加了加工难度。
(3)在太阳能电池板表面集成贴片天线，天线对太阳能电池的遮挡较小，且加工成本低，但对太阳能电池板的结构要求较苛刻。
(4)在太阳能电池板上进行开缝，使之成为缝隙天线的一部分，这种设计要兼顾天线性能和太阳能电池发电量两项指标，对天线设计有较大挑战。如申请号为201611154861.0的专利申请公开的太阳能电池与缝隙天线集成一体化装置，在该方案中，缝隙天线为多个十字形缝隙单元，微带线的馈电网络采用T型功率分配器或Wilkinson功率分配器的形式，从而构成圆极化阵列天线，其通过功率分配的形式来形成圆极化，增加了产品成本；采用天线阵列的形式，需要考虑阵元之间的相互影响，从而增加了设计难度。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于透明导电薄膜的太阳能电池与天线的集成一体化装置，天线结构简单易加工，馈电结构简单，通过天线自身结构实现圆极化。
本发明的太阳能圆极化天线包括开口圆环形馈电微带线、介质基板、金属地板、太阳能电池板和辐射贴片；
其中，太阳能电池板位于介质基板之上；
金属地板位于太阳能电池板的下方，作为太阳能电池板的衬底，并用作太阳能电池板的一个输出电极；且所述金属地板作为天线与太阳能电池板的共用接地板；
介质基板的下方覆开口圆环形馈电微带线，用于为天线馈送能量；
位于太阳能电池板的上方的辐射贴片为透明导电材料，且辐射贴片与太阳能电池板之间为空气介质；
所述太阳能电池板上设置有四条贯穿太阳能电池板与金属地板的的长方形缝隙，四条长方形缝隙的宽度相同，交叉形成米字形交叉缝隙，所述米字形交叉缝隙的交叉点与开口圆环形馈电微带线所在圆环的圆心正对，且开口圆环形馈电微带线所在圆环的直径小于四条长方形缝隙中的最短长方形缝隙的长度；开口圆环形馈电微带线通过米字形交叉缝隙与辐射贴片进行耦合馈电从而产生电磁辐射。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：通过天线本身结构来实现圆极化，节省了通过外部器件实现圆极化的产品成本，并且天线在实现圆极化的同时，馈电更加均匀，使得方向图有更好的对称性，有更好的波瓣宽度。
附图说明
图1为本发明的天线的正视图；
图2为本发明的天线的俯视图；
图3为本发明的天线的仰视图；
图4为本发明的天线回波损耗的S11参数曲线图；
图5为本发明的天线的增益曲线；
图6为本发明的天线的工作频点示意图；
其中，1——开口圆环形馈电微带线，2——介质基板，3——太阳能电池板，4——金属地板，5——辐射贴片，6——米字形交叉缝隙。
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，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
本发明的太阳能圆极化天线为一种微带天线与太阳能电池集成的天线装置。其包括辐射贴片、太阳能电池板、金属地板、介质基板与微带线。介质基板下方覆微带线(开口环形馈电微带线)用于为天线馈送能量，在太阳能电池板上开米字型交叉缝来进行馈电微带线与辐射贴片之间能量的耦合，再通过辐射贴片进行电磁辐射。本发明通过采用的开口圆环形馈电微带线和米字形交叉缝隙的结构，来达到通过天线本身结构实现圆极化的目的，与通过外部器件实现圆极化的天线装置相比，结构更简单，成本更低；并且本发明的天线装置在实现圆极化的同时，馈电更加均匀，使得方向图有更好的对称性，有更好的波瓣宽度。将金属基板作为太阳能电池的衬底，并用作太阳能电池的一个输出电极，天线与太阳能电池共用接地板，且太阳能电池并不是单纯的覆盖于天线之上，对该太阳能电池板也做开缝处理，使其成为天线的一部分，实现天线与太阳能电池的融合。
参见图1，本发明的太阳能圆极化天线包括开口圆环形馈电微带线1、介质基板2、太阳能电池板3、金属地板4和辐射贴片5；
其中，太阳能电池板3位于介质基板2之上；金属地板4位于太阳能电池板3的下方，作为太阳能电池板3的衬底，并用作太阳能电池板3的一个输出电极；且所述金属地板4作为太阳能圆极化天线与太阳能电池板3的共用接地板；
介质基板2的下方覆开口圆环形馈电微带线1，用于为天线馈送能量；
位于太阳能电池板3的上方的辐射贴片5为透明导电材料，且辐射贴片5与太阳能电池板4之间为空气介质；
在太阳能电池板3上设置有贯穿太阳能电池板3与金属地板4的米字形交叉缝隙6，该米字形交叉缝隙6由四条宽度相同的长方形缝隙构成，优选方式为米字形交叉缝隙中的相邻两条缝隙的夹角均为45°，如图2所示；该四条长方形缝隙的长度可以相同也可以不相同。且米字形交叉缝隙6的交叉点的与开口圆环形馈电微带线1所在圆环的圆心正对，且开口圆环形馈电微带线1所在圆环的直径小于四条长方形缝隙中的最短者的长度。开口圆环形馈电微带线1通过所述米字形交叉缝隙6与辐射贴片5进行耦合馈电从而产生电磁辐射。
图2为上述太阳能圆极化天线的俯视图，因辐射贴片5为透明导电材料，透过辐射贴片5可以直观的看到本发明的米字形交叉缝隙6的结构形状。不同于单个缝隙，采用本发明的米字型交叉缝隙需要考虑每个缝隙不同耦合点之间的相互作用。例如，当开口圆环形馈电微带线1中传递的是准TEM(Transverse Electric and Magnetic)模时，可以利用互易性定理来分析矩形缝隙的负载阻抗，实现微带线与缝隙之间的阻抗匹配。
为了使得天线的方向图具有更好的对称性，具有更宽的波瓣宽度，并且具有较好的轴比，本发明为米字形交叉缝隙6的8个端点分别在介质基板2的下方设置对应的管状结构的臂，微带线以串行方式穿过米字形交叉缝隙6的各个臂，形成开口圆环形馈电微带线1，如图3所示。从而使得电流以渐进的45°相位差馈入米字形交叉缝隙6的各个臂，进而实现圆极化。上述馈电结构使得本发明的太阳能圆极化天线可以更好的实现均匀馈电，使得天线的方向图有更好的对称性，有更宽的波瓣宽度，并且有较好的轴比；且串行馈电使辐射贴片表面上的电流自身实现旋转，而无需外部馈电结构使得天线实现圆极化。
以介质基板2采用介电常数为4.4的FR4板材为例，结合图4-6对本发明的太阳能圆极化天线的性能进行分析。
图4为本发明的天线的回波损耗的S11参数曲线图。其在要求的工作频点1.47GHz的回波损耗为-23dB，且允许天线在一定的频偏状态下也有较好的回波损耗，扩展了天线的工作带宽。
图5是本发明的天线的增益曲线。在工作频点有7.47dBi的增益，效果较好。
图6是本发明的天线的工作频点(由于带宽要求不高，因此可用中心频点的轴比性能代替频带内的其他频点所对应的轴比性能)所对应的轴比方向图。在工作频点，phi＝0°的截面，theta＝0°时，实现了轴比小于2dB，本发明有较好的圆极化性能。
综上所述，本发明所设计的太阳能圆极化天线无需外部馈电结构就能使得天线实现圆极化，且馈电均匀，与已有的太阳能天线相比，其方向图的对称性更好，波瓣宽度更宽。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (3)
1.太阳能圆极化天线，包括开口圆环形馈电微带线(1)、介质基板(2)、金属地板(3)、太阳能电池板(4)和辐射贴片(5)，其特征在于，
所述太阳能电池板(4)位于介质基板(2)之上；金属地板(4)位于太阳能电池板(3)的下方，作为太阳能电池板(3)的衬底，并用作太阳能电池板(3)的一个输出电极；且所述金属地板(4)作为天线与太阳能电池板(3)的共用接地板；
介质基板(2)的下方覆开口圆环形馈电微带线(1)，用于为天线馈送能量；位于太阳能电池板(3)的上方的辐射贴片(5)为透明导电材料，且辐射贴片(5)与太阳能电池板(3)之间为空气介质；
所述太阳能电池板(3)上设置有四条贯穿太阳能电池板(3)与金属地板(4)的的长方形缝隙，四条长方形缝隙的宽度相同，交叉形成米字形交叉缝隙(6)，所述米字形交叉缝隙(6)的交叉点与开口圆环形馈电微带线(1)所在圆环的圆心正对，且开口圆环形馈电微带线(1)所在圆环的直径小于四条长方形缝隙中的最短长方形缝隙的长度；开口圆环形馈电微带线(1)通过米字形交叉缝隙(6)与辐射贴片(5)进行耦合馈电从而产生电磁辐射。
2.如权利要求1所述的太阳能圆极化天线，其特征在于，所述米字形交叉缝隙(6)中，相邻两条缝隙的夹角均为45度。
3.如权利要求1或2所述的太阳能圆极化天线，其特征在于，所述米字形交叉缝隙(6)的8个端点分别在介质基板2的下方设置有对应的管状结构的臂，微带线以串行方式穿过米字形交叉缝隙6的各个臂，形成开口圆环形馈电微带线(1)。
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