CN108808229B - 一种用于无线携能通信的堆叠混合贴片环天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于无线携能通信的堆叠混合贴片环天线，包括天线，天线包括辐射贴片、辐射环、同轴馈电导体针和介质基板，辐射贴片包括第一辐射贴片和第二辐射贴片，介质基板包括依次向下层列排布的第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板；第一辐射贴片紧贴设置在第一介质基板的上表面，辐射环紧贴设置在第二介质基板的上表面，第二辐射贴片紧贴设置在第三介质基板的上表面；同轴馈电导体针的两端穿过第三介质基板分别连接到第二辐射贴片和地面。本发明可保证无线携能通信的安全性以及可同时进行能量和信号的传输，不会造成能量的浪费，并且可减少串扰，防止传输过程中的信噪比降低。

Description

一种用于无线携能通信的堆叠混合贴片环天线
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其是一种用于无线携能通信的堆叠混合贴片环天线。
背景技术
基于电磁辐射的无线能量传输(MPT)技术可以在其发射端发送能量，同时在接收设备上安装无线能量接收系统后，就可以方便地利用空间电磁波对大量的设备进行充电，该技术在智能家居、无线传感器网络、电动车辆和RFID系统等场景具有普遍被看好的前景，在人们越来越青睐于便携化电子产品的背景下，MPT技术面临着大好的发展机遇；
其中，无线携能通信(SWIPT)是这一技术中的一种分支，目前在这一技术领域，一种传输方案是基于时间共享的微带天线来进行的，即将时间分为信号传输和能量传输两部分，让天线在不同时间段内进行能量或者信号的收发，其无法让天线在不同空间角度上同时实现能量和信号传输，使用场合较为受限，并且需要对能量和信号传输的部分分别匹配天线，相互之间容易形成串扰。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种用于无线携能通信的堆叠混合贴片环天线，可以同时进行能量和信号传输，并且可减少串扰。
为了弥补现有技术的不足，本发明采用的技术方案是：
一种用于无线携能通信的堆叠混合贴片环天线，包括天线，所述天线包括辐射贴片、辐射环、同轴馈电导体针和介质基板，所述辐射贴片包括第一辐射贴片和第二辐射贴片，所述介质基板包括依次向下层列排布的第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板；所述第一辐射贴片紧贴设置在第一介质基板的上表面，所述辐射环紧贴设置在第二介质基板的上表面，所述第二辐射贴片紧贴设置在第三介质基板的上表面；所述同轴馈电导体针的两端穿过第三介质基板分别连接到第二辐射贴片和地面。
进一步，所述天线还包括设置于所述第三介质基板正下方的缺陷反射基板，所述缺陷反射基板的上表面设置有一层缺陷反射面或两层以上的等间距排列设置的缺陷反射面。
进一步，所述第一辐射贴片和第二辐射贴片之间的距离为0.45-0.55λg，其中λg为天线的波长。
进一步，所述第一辐射贴片和第二辐射贴片的横向剖面均呈正方形。
进一步，所述辐射环的横向剖面呈矩形。
进一步，所述的缺陷反射面包括N个等间隔排列设置的金属圆面，所述金属圆面设置于缺陷反射基板的上表面；其中，N为缺陷反射面的层数。
进一步，所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板和缺陷反射基板均包括介质层和覆铜层，所述介质层的底面与覆铜层的顶面相贴合。
进一步，所述地面为覆铜层。
进一步，N为3-5。
本发明的有益效果是：通过堆叠辐射贴片和辐射环，即普通的微带天线和环天线，可以获得在两个原有天线方向上叠加的新天线，从而产生可传递能量的较强增益的主瓣和可传递信号的较低增益的旁瓣，可以保证无线携能通信的安全性，以及可同时进行能量和信号的传输，不存在不接收信号的时间段，也就不会造成能量的浪费；另外，将各辐射贴片和辐射环分别设置在不同的介质基板上，使得主瓣和旁瓣能够在不同的空间上分别传递能量和信号，互不干扰，可减少串扰，防止传输过程中的信噪比降低。
附图说明
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的实施方案。
图1是本发明的纵向剖面图；
图2是本发明的第一介质基板及其外围结构的横向剖面图；
图3是本发明的第二介质基板及其外围结构的横向剖面图；
图4是本发明的第三介质基板及其外围结构的横向剖面图；
图5是本发明的缺陷反射基板及其外围结构的横向剖面图；
图6是本发明在不同频段的最优反射系数曲线图；
图7是本发明在E面和H面上的辐射方向图。
具体实施方式
参照图1-图5，本发明的一种用于无线携能通信的堆叠混合贴片环天线，包括天线，所述天线包括辐射贴片、辐射环2、同轴馈电导体针5和介质基板，所述辐射贴片包括第一辐射贴片11和第二辐射贴片12，所述介质基板包括依次向下层列排布的第一介质基板31、第二介质基板32和第三介质基板33；所述第一辐射贴片11紧贴设置在第一介质基板31的上表面，所述辐射环2紧贴设置在第二介质基板32的上表面，所述第二辐射贴片12紧贴设置在第三介质基板33的上表面；所述同轴馈电导体针5将微波能量有效地反馈到天线上，然后再将其有效地辐射到自由空间中。
具体地，第一介质基板31、第二介质基板32和第三介质基板33均优选为矩形基板，其规格为25mm*25mm-35mm*35mm，厚度为0.762mm，介电常数εr1＝2.55，介质损耗角正切为tanδ＝0.0014；同轴馈电导体针5起到外部传导作用，可将微波能量有效地辐射到自由空间中。
普通微带贴片天线的辐射增益随着仰角提高而降低，环天线的辐射增益变化则与此相反；参照图7，E面指通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面，H面指通过天线最大辐射方向并平行于磁场矢量的平面，本发明将辐射贴片和辐射环2，即普通贴片天线和环天线堆叠起来，可以使其分别在同一频率上谐振，此时天线的方向为辐射贴片和辐射环2的方向的叠加，即主瓣方向为辐射增益随着仰角提高而降低的典型微带贴片天线的辐射方向，同时在仰角0°的附近有一个副瓣，即通过环天线产生辐射，适应调节两堆叠天线上的电流强度，从而控制主瓣和旁瓣的电流强度比例，因此可以利用具有较高增益的主瓣传递能量，利用增益较低的旁瓣传递信号，保证安全性，由图7可知，最大增益为8.07dB，在铅直方向相互垂直的xoz平面和yoz上，在θ＝0°和θ＝90°时的增益分别为-1.04dB和-1.44dB，前后比为26.65dB；另外，参照图6，天线在频段4GHz以下时的最优反射系数较为可观，总体曲线上呈现出一个谷底，即降到近似地最低值后再向上增大。
通过堆叠辐射贴片和辐射环2，即普通的微带天线和环天线，可以获得在两个原有天线方向上叠加的新天线，从而产生可传递能量的较强增益的主瓣和可传递信号的较低增益的旁瓣，可以保证无线携能通信的安全性，以及可同时进行能量和信号的传输，不存在不接收信号的时间段，也就不会造成能量的浪费；另外，将各辐射贴片和辐射环2分别设置在不同的介质基板上，使得主瓣和旁瓣能够在不同的空间上分别传递能量和信号，互不干扰，可减少串扰，防止传输过程中的信噪比降低。
进一步，参照图1和图5，所述天线还包括设置于所述第三介质基板33正下方的缺陷反射基板7，所述缺陷反射基板7的上表面设置有一层缺陷反射面6或两层以上的等间距排列设置的缺陷反射面6；通过设置缺陷反射基板7，可以有效减小后瓣，从而提高天线的前后比，以将能量和信号更多地从主瓣和旁瓣辐射出去；其中，优选地，缺陷反射基板7的尺寸为25mm*25mm-35mm*35mm，厚度为1.575mm，介电常数εr2＝4.4，介质损耗角正切为tanδ＝0.02。
进一步，所述第一辐射贴片11和第二辐射贴片12之间的距离为0.45-0.55λg，其中λg为天线的波长；这是申请人通过实验得出的结果，保持在0.5λg附近可以提高天线增益。
进一步，参照图2和图4，所述第一辐射贴片11和第二辐射贴片12的横向剖面均呈正方形，所述辐射环2的横向剖面呈矩形，这样设置可以与各基板的形状进行适应匹配，以达到更好的辐射效果；优选地，辐射贴片的半径范围为15-20mm，辐射环2的宽度为0.5-2mm。
进一步，参照图5，所述的缺陷反射面6包括N个等间隔排列设置的金属圆面61，所述金属圆面61设置于缺陷反射基板7的上表面；其中，N为缺陷反射面6的层数。这样设置使得缺陷反射面6相互之间存在一定间距但排列依然整齐，可以减小反射混合，以达到更好的辐射效果，其中N优选为3-5，金属圆面61的半径为2mm-5mm。
进一步，所述第一介质基板31、第二介质基板32、第三介质基板33和缺陷反射基板7均包括介质层和覆铜层(未示出)，所述介质层的底面与覆铜层的顶面相贴合，这样设置保证了介质基板和缺陷反射基板7的结构稳定，方便同轴馈电导体针5和缺陷反射面6的设置连接，而地面4可以设置为覆铜层，也可以设置为其它连接点，只要其能够起到向外部释放能量及信号的效果即可。
以上内容对本发明的较佳实施例和基本原理作了详细论述，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员应该了解在不违背本发明精神的前提下还会有各种等同变形和替换，这些等同变形和替换都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种用于无线携能通信的堆叠混合贴片环天线，包括天线，其特征在于：所述天线包括辐射贴片、辐射环(2)、同轴馈电导体针(5)和介质基板，所述辐射贴片包括第一辐射贴片(11)和第二辐射贴片(12)，所述介质基板包括依次向下层列排布的第一介质基板(31)、第二介质基板(32)和第三介质基板(33)；所述第一辐射贴片(11)紧贴设置在第一介质基板(31)的上表面，所述辐射环(2)紧贴设置在第二介质基板(32)的上表面，所述第二辐射贴片(12)紧贴设置在第三介质基板(33)的上表面；所述同轴馈电导体针(5)的两端穿过第三介质基板(33)分别连接到第二辐射贴片(12)和地面(4)。
2.根据权利要求1所述的一种用于无线携能通信的堆叠混合贴片环天线，其特征在于：所述天线还包括设置于所述第三介质基板(33)正下方的缺陷反射基板(7)，所述缺陷反射基板(7)的上表面设置有一层缺陷反射面(6)或两层以上的等间距排列设置的缺陷反射面(6)；所述的缺陷反射面(6)包括若干个等间隔排列设置的金属圆面(61)，所述金属圆面(61)设置于缺陷反射基板(7)的上表面；其中，所述缺陷反射面(6)的层数与所述金属圆面(61)的个数相同。
3.根据权利要求1所述的一种用于无线携能通信的堆叠混合贴片环天线，其特征在于：所述第一辐射贴片(11)和第二辐射贴片(12)之间的距离为0.45-0.55λg，其中λg为天线的波长。
4.根据权利要求1所述的一种用于无线携能通信的堆叠混合贴片环天线，其特征在于：所述第一辐射贴片(11)和第二辐射贴片(12)的横向剖面均呈正方形。
5.根据权利要求1所述的一种用于无线携能通信的堆叠混合贴片环天线，其特征在于：所述辐射环(2)的横向剖面呈矩形。
6.根据权利要求2所述的一种用于无线携能通信的堆叠混合贴片环天线，其特征在于：所述第一介质基板(31)、第二介质基板(32)、第三介质基板(33)和缺陷反射基板(7)均包括介质层和覆铜层，所述介质层的底面与覆铜层的顶面相贴合。
7.根据权利要求6所述的一种用于无线携能通信的堆叠混合贴片环天线，其特征在于：所述地面(4)为覆铜层。
8.根据权利要求2所述的一种用于无线携能通信的堆叠混合贴片环天线，其特征在于：所述缺陷反射面(6)的层数为3-5。
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