CN109888481B - 一种全向圆极化超表面太阳能天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全向圆极化超表面太阳能天线，从上至下包括集成太阳能天池的辐射超表面、第一介质层、金属地板、第二介质层和微带馈电网络；其中辐射超表面为多个矩形环构成的均匀阵列，太阳能电池放置于各矩形环内部；金属地板上设置有4个呈旋转对称分布的十字交叉缝隙，用于实现对辐射超表面的均匀等幅馈电，第二介质层下表面的馈电网络通过微带缝隙耦合馈电的方式，为各十字交叉缝隙馈电，在辐射超表面上激励起正交模式，实现全向圆极化辐射。本发明集成了太阳能电池的辐射超表面的太阳能电池性能与天线性能之间基本互不干扰，即充分利用了天线的表面面积，同时也保障了太阳能电池板能够完全的暴露在光照下。
Description
技术领域
本发明属于太阳能光伏与无线信号传输技术应用领域，具体涉及一种全向圆极化太阳能 超表面天线。
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。当太阳能电池应用于无线通信领域中时，若将太阳能系统与天线系统分别进行 独立设计，二者将互相争夺有限的空间资源。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和天线主要面临下述两种问题：
(1)将太阳能电池板直接放置于天线上时，如申请号为201611154861.0的专利申请所 提出的一种太阳能电池与缝隙天线集成一体化装置，缝隙贯穿太阳能电池和金属地板，或者 将太阳能电池直接作为天线的辐射部分。以上所述方式保证了太阳能电池板完全暴露在阳光 下，但由于太阳能电池板为半导体，高频电流在上面传导时，会有较大的损耗，因此天线的 效率会受到较大影响。
(2)另一种集成方式则是将太阳能电池板作为天线的地板，天线的辐射部分选择透光结 构。如利用导电薄膜作为辐射体的微带天线，例如文献《H.J.Song et al.,“AMethod for Improving the Efficiency of Transparent Film Antennas Hyok,”IEEEAntennas Wirel.Propag.Lett.,vol.7,pp.753–756,2008.》所公开的微带天线结构；利用水作为介质 的介质谐振天线，例如文献《M.Zou,J.Pan,and Z.Shen,“Frequency-reconfigurable water antenna integrated with solar cell,”9thInt.Conf.Microw.Millim.Wave Technol.ICMMT 2016-Proc.,vol.2,pp.858–860,2016》所公开的介质谐振天线结构；以及利用金属网格的 网格天线，例如文献《A.Rashidian,L.Shafai,and C.Shafai,“Miniaturized Transparent Metallodielectric ResonatorAntennas Integrated with Amorphous Silicon Solar Cells,” IEEE Trans.AntennasPropag.,vol.65,no.5,pp.2265–2275,2017》所公开的网格天线结构。 然而，这些结构无法实现完全的透光，因此太阳能电池板的效率会受到影响。
由于现有的天线和太阳能电池的集成方式无法同时保障天线和太阳能电池板的效率最大 化。同时，对于天线与太阳能电池板集成的设计，天线的辐射方向也是需要重点考虑的因素。 目前在大部分的天线与太阳能集成的设计中，天线辐射方向都是与太阳能电池板的朝向一致。 对于太阳能电池板，为保障其最大效率，其面板需要朝向天顶(仰角90deg)，而对于无线通 信，很少有信号是来自天顶，因此需要天线的辐射方向与太阳能面板的朝向不同。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种全向圆极化超表面太阳能天线， 即能充分利用天线的表面面积，又能保障太阳能电池板能够完全的暴露在光照下。
本发明的全向圆极化超表面太阳能天线从上之下包括集成太阳能电池的辐射超表面、第 一介质层、金属地板、第二介质层和微带馈电网络；其中，第一介质层的厚度大于第二介质 层；
位于第一介质层上表面的辐射超表面为多个矩形环构成的均匀阵列(非线阵)，且每个矩 形环内设置有太阳能电池，所述太阳能电池与矩形环之间存在缝隙，且太阳能电池之间通过 贴片电感连接，即贴片电感连接各太阳能电池的底部；
所述金属地板上设置有四个呈旋转对称分布的十字交叉缝隙，且各十字交叉缝隙与垂直 轴线的夹角为45°；
位于第二介质层下表面的微带馈电网络，通过微带缝隙耦合馈电的方式，为每个十字交 叉缝隙馈电，所述微带馈电网络采用三个T型功分器的结合结构，其中一个功分器的两个端 口分别连接一个功分器，从而形成四个端口的输出；且各功分器上分别加载有隔离电阻。通 过微带馈电网络的微带缝隙耦合馈电，在辐射超表面上激励起正交模式，实现全向圆极化辐 射。
即为了得到本发明的一种全向圆极化超表面太阳能天线，首先设置上述包括集成太阳能 电池的辐射超表面、第一介质层、金属地板、第二介质层和微带馈电网络的天线结构，然后 通过仿真软件对十字交叉缝隙馈电的缝隙臂的长度和缝隙宽度进行调整，从而使得天线的辐 射超表面的电流分布具有自对称性，同时电流在辐射超表面中心处存在反向电流，从而得到 实现圆极化的天线结构。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明基于内部具有矩形 贴片的矩形环所构成的辐射超表面的电流主要分布在其外缘上的电流分布现象，提出了一种 新的天线与太阳能电池集成的方式，即将太阳能电池板放置于辐射超表面的各矩形环内部， 从而使得集成了太阳能电池的辐射超表面的太阳能电池性能与天线性能之间基本互不干扰， 即充分利用了天线的表面面积，同时也保障了太阳能电池板能够完全的暴露在光照下；本发 明的辐射超表面在第一介质层上呈旋转对称分布，并通过位于两介质层之间的金属地板上的 十字交叉缝隙实现对辐射超表面的均匀等幅馈电，每个十字交叉缝隙与一个辐射超表面的中 心位置相对应，通过调整十字交叉缝隙的尺寸信息实现全向圆极化。
附图说明
图1为实施例中，本发明的天线的结构层侧视图；
图2为实施例中，本发明的天线的俯视图；
图3为实施例中，本发明的天线的金属地板开缝示意图；
图4为实施例中，本发明的天线的馈电网络示意图；
图5为实施例中，本发明的天线回波损耗的S11参数曲线图；
图6为实施例中，本发明的天线在phi＝0deg和phi＝90deg的辐射方向图；
图7为实施例中，本发明的天线在phi＝0deg和phi＝90deg的轴比方向图；
图8为实施例中，本发明的天线工作在4.6GHz时，辐射超表面在五种不同工作模式的电 流分布；其中，图8-1为辐射超表面上模式一的电流分布，图8-2为辐射超表面上模式二的 电流分布；图8-3为辐射超表面上模式三的电流分布；图8-4为辐射超表面上模式四的电流 分布；图8-5为辐射超表面上模式五的电流分布。
其中，1为辐射超表面；2为太阳能电池；3为第一介质层；4为金属地板；5为第二介质层；6为微带馈电网络；7为隔离电阻；8为十字交叉缝隙；9为贴片电感；10为太阳能电 池的正负极输出端；
H1、H2分别表示第一、二介质层的厚度；Wm、Wg分别表示辐射超表面的方形环外正方形 宽和环宽；L1、L2和Ws分别表示十字交叉缝隙的两条臂长和缝隙宽度。
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。
本发明的全向圆极化超表面太阳能天线，为太阳能天池与天线集成的一种形式，适用于 一些小型设备，尤其适用于需要低剖面的圆极化天线的车载卫星系统。本发明采用的技术方 案如下：
一种全向圆极化超表面太阳能天线，基于口径耦合的微带天线形式，参见图1，其从上 至下包括设有辐射超表面1与太阳能电池2的第一介质层3、经过开缝处理的金属地板4、第 二介质层5和微带馈电网络6。电磁能量通过微带馈线，经由中间的金属地板4上的十字交 叉缝隙8耦合至第一介质层3上的辐射超表面的贴片电感9。
所述第一介质层3的表面集成有太阳能电池2和辐射超表面1，其中辐射超表面1为多 个矩形环构成的均匀阵列，如图2所示的4*4排列的方形环阵列，太阳能电池2嵌在各矩形 环内。在具体的设计中，天线的尺寸大小应根据其适用的装置所能提供的空间以及技术指标 要求来进行调节。将辐射超表面引入天线的设计中，是为了实现更好的圆极化性能，其单元 (矩形环)尺寸与数量的选择应为天线性能所服务。
为了充分利用天线的表面空间实现太阳能电池与天线的集成，为了从单个太阳能电池2 中提取光伏产生的直流电流，同时减轻太阳能电池2之间的连接对天线性能的影响，本发明 使用贴片电感9来连接太阳能电池2的底部。
一个圆极化波能被拆分为两个线极化波，这两个线极化波等幅正交，相位相差90°，本 发明基于该原理实现圆极化辐射，为在辐射超表面1上激励起具有90度相位差的正交模式， 在金属地板4的接地平面上刻蚀四个不等长的十字交叉缝隙，即每个十字交叉缝隙的两条缝 隙臂不等长，具体长度可使用仿真软件进行优化。
在本具体实施方式中，为实现对辐射超表面1的均匀等幅馈电，在所述第二介质层5的 上表面(即金属地板4)刻蚀四个旋转对称分布的十字交叉形缝隙，所述四个十字交叉形缝 隙按田字格的形式分布在金属地板4的四个角上，且各十字交叉缝隙与垂直轴线的夹角为 45°，即将辐射超表面1按照田字格形式均分为四部分，每部分分别对应一个十字交叉缝隙， 从而实现对辐射超表面1的均匀等幅馈电。设置在第二介质层5的下表面的微带馈电网络6 通过微带缝隙耦合馈电的方式，为每个十字交叉缝隙馈电，在辐射超表面1上激励起正交模 式，实现全向圆极化辐射。同时，设置微带馈电网络6的馈电结构为三个T型功分器的结合 结构：其中一个功分器的两个端口分别连接一个功分器，从而形成四个端口的输出，由于无 耗的T型功分器无法实现3个端口的同时匹配，于是加载隔离电阻7到每个T型功分器上以 实现3端口的同时匹配，如图4所示。
本发明的圆极化辐射原理为：通过特征模理论来分析内部具有矩形贴片(太阳能电池) 的矩形环所构成的辐射超表面，发现其电流主要分布在矩形环上，而在内部的矩形贴片上分 布很弱，因此将太阳能电池板放置于内部的矩形片上时，太阳能电池板对天线的性能影响也 很微弱。这种结构充分利用了天线的表面面积，同时也保障了太阳能电池板能够完全的暴露 在光照下。并通过调整十字交叉形缝隙的臂长和缝隙宽度使得本发明的天线工作时，其辐射 超表面的电流分布具有自对称性，同时电流在辐射超表面中心处存在反向电流实现90°相位 差，从而实现圆极化的辐射。
集成太阳能天线主要的挑战是天线和太阳能电池之间的兼容性：兼顾天线性能和太阳能 电池发电量两项指标，天线不影响太阳能电池的正常工作，天线的辐射性能也不因太阳能电 池的存在而降低。本发明基于上述结构的全向圆极化太阳能辐射超表面天线，实现了与太阳 能集成的、具有低剖面与全向圆极化特性的辐射超表面天线。通过辐射超表面与太阳能电池 之间巧妙的排布方式，太阳能电池可以充分的暴露在光照下、且太阳能电池与天线性能之间 互不影响。通过设置匹配的激励模式，实现了全向圆极化的辐射性能。
实施例
本实施例中，所设计的全向圆极化太阳能辐射超表面天线在馈电方式上采用了微带缝隙 耦合馈电，参见图1，其金属地板4在第一介质层3和第二介质层5之间，通过接地平面的 缝隙实现了位于第一介质层3之上的辐射超表面1和位于第二介质层5之下的微带馈电网络 6之间能量的耦合。本实施例中，第一介质层3采用介电常数为3.5的Arlon AD350A板材， 厚度为H1，第二介质层5采用介电常数为2.6的Neltec NY9260(IM)板材，厚度为H2。为实 现低剖面，两介质层中，第二介质层5较薄，而要拥有较好的辐射性能，第一介质层3需要 一定的厚度(即缝隙与辐射贴片之间需要存在一定距离)。其中H1＝4mm，H2＝0.8mm，总厚度 不超过5mm，符合低剖面要求，厚度参数可根据具体实用要求进行调节。
参见图2，本实施例所设置的辐射超表面1为4*4的方形环所构成的方阵，每个方形环 将太阳能电池2包裹在内，两者之间存在一定的缝隙间隔。各太阳能电池2之间通过其底部 的贴片电感9连接，并通过太阳能电池的正负极输出端10输出直流电流。
本实施例中，各方形环的外正方形宽Wm＝8.8mm，环宽Wg＝0.5mm。辐射超表面1的引入大 大改善了天线性能，这种布置方式不仅允许太阳能电池2完全暴露于阳光(100％日照)下，并 且太阳能电池2与天线之间几乎互不影响对方的工作性能。
为实现对辐射超表面1的均匀等幅馈电，在金属地板4上设置有4个十字交叉缝隙，按 田字格的形式分布在金属地板4的四个角上，即各十字交叉缝隙与垂直轴线的夹角为45°， 如图3所示，以保证实现均匀的辐射圆极化波。在电磁场理论中，缝隙可看作等效磁流源， 通过特征模理论分析在辐射超表面1上所存在模式的磁场分布，将缝隙置于所要激励的模式 的磁场最强处之下，以激励辐射超表面1。圆极化天线的基本原理为在正交方向上激励起两 个等幅，相位相差90°的线极化波，两辐射模式叠加形成圆极化辐射。本实施例中，各十字 交叉缝隙的槽长(臂长)分别为L1和L2，缝隙宽度为Ws，两槽互相垂直，通过调节槽长L1、 L2与槽宽Ws，使得在辐射超表面上激励起两个正交极化的简并模，两个模式合成形成圆极化 波。本实施例中，L1＝19mm、L2＝11mm、Ws＝1mm。
对于图2所示的4*4的方形环所构成的辐射超表面，若将其按照田字格形式划分为4个 2*2的子阵列，则十字交叉缝隙的缝隙交叉点正对于每个子阵列的中心。
参见图1，本实施所设置的微带馈电网络6的馈电结构中所采用的T型功分器为具有较 好端口隔离度的威尔金森功分器，三个威尔金森功分器中的一个功分器的两个端口又分别接 功分器，由此形成四个端口的输出，为四个十字交叉缝隙馈电；并在每个威尔金森功分器上 加载隔离电阻7，以实现无耗的T型功分器的3端口的同时匹配。
图5是本实施例所设置的天线的回波损耗的S11参数(输入反射系数)曲线图，由图5 可知，该天线工作在4.6GHz，S11＜-25dB，有较好的阻抗匹配。
图6是本实施例所设置的天线在Phi＝0deg与phi＝90deg两个平面内的辐射方向图，可以 看出，两个平面内的辐射方向图呈苹果状，在theta＝40deg附近时，有最大辐射。其中Phi 角是指和X轴正半轴的夹角，逆时针为正，顺时针为负；角度变化范围为-180度到180度； theta是指与z轴正半轴的夹角，角度变化范围为0到180度。
图7是本实施例所设置的天线的轴比方向图，在theta＝40deg左右时，有较好的3-dB轴 比，图6和图7说明该天线在theta＝40deg辐射范围内时，实现了较好的全向圆极化辐射。
图8是本实施例所设置的天线工作在4.6GHz时(基于天线设计需求所限定的工作频率)， 基于CST(三维电磁场仿真软件)仿真出来的该天线的辐射超表面1上的前五种模式的特征 电流分布。通过观察不同模式下的特征电流分布发现，模式三(图8-3所示的模式)与模式 五(图8-5所示的模式)的电流具有自对称性，同时电流在辐射超表面1中心处存在反向电 流，因此可实现全向的辐射。即由于模式三与模式五的磁场主要分布在辐射超表面1的四个 角上，故本发明中，将四个对称分布的十字交叉缝隙布置于金属地板的四个角上，从而激励 起这两种模式，再通过调整缝隙的槽长与槽宽，实现两种模式之间的90°相位差，从而实现 圆极化。
综上，本发明的天线在采用缝隙耦合馈电方式的基础上，利用特征模理论得出本发明所 设置的辐射超表面1的电流主要分布在其外缘上，因此可以将太阳能电池板放置于矩形环内 部，从而提出一种新的天线与太阳能电池集成的方式，并且太阳能电池性能与天线性能之间 基本互不干扰；同时，一般圆极化的微带天线是在中间采用交叉缝隙馈电，但本发明中由于 辐射超表面1因为其模式的特点，因此本发明的十字交叉缝隙对应的是辐射超表面1按照田 字格形式划分后的各子阵的中心位置，各十字交叉缝隙呈旋转对称分布，通过调整十字交叉 缝隙的尺寸信息实现全向圆极化。
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 (7)
1.一种全向圆极化超表面太阳能天线，其特征在于，从上到下依次包括集成太阳能电池的辐射超表面、第一介质层、金属地板、第二介质层和微带馈电网络；
所述辐射超表面为多个矩形环构成的均匀阵列，且每个矩形环内设置有太阳能电池；所述太阳能电池与矩形环之间存在缝隙，且太阳能电池之间通过贴片电感连接；
所述金属地板上设置有四个呈旋转对称分布的十字交叉缝隙，且各十字交叉缝隙与垂直轴线的夹角为45°；
位于第二介质层下表面的微带馈电网络，通过微带缝隙耦合馈电的方式，为每个十字交叉缝隙馈电，所述微带馈电网络采用三个T型功分器的结合结构，其中一个功分器的两个端口分别连接一个功分器，从而形成四个端口的输出；且各功分器上分别加载有隔离电阻；
且所述第一介质层的厚度大于第二介质层。
2.如权利要求1所述的太阳能天线，其特征在于，构成辐射超表面的矩形环为正方形环。
3.如权利要求2所述的太阳能天线，其特征在于，所述正方形环的外边长为8.8mm，内边长为0.5mm。
4.如权利要求1所述的太阳能天线，其特征在于，所述辐射超表面为4*4的阵列结构。
5.如权利要求1、2、3或4所述的太阳能天线，其特征在于，所述T型功分器为威尔金森功分器。
6.如权利要求1、2、3或4所述的太阳能天线，其特征在于，第一介质层和第二介质层的厚度分别设置为4mm和0.8mm。
7.如权利要求1、2、3或4所述的太阳能天线，其特征在于，所述十字交叉缝隙的缝隙宽度为1mm，两条缝隙臂长分别为19mm和11mm。
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