CN110112545A - 一种集成太阳能电池片的一体化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种集成太阳能电池片的一体化天线，包括上层太阳能电池辐射结构，中层反射板和下层交直流馈电结构，通过上下两层介质板隔开，上层太阳能电池辐射结构包括太阳能电池片，多块所述太阳能电池片采用串联方式组成一个矩形太阳能条带，多个所述矩形太阳能条带并联组成全部辐射口面；所述矩形太阳能条带通过自身光电效应直流发电，将直流电通过直流馈电网络输送到直流端口，并能够通过缝隙耦合结构与交流馈线进行射频能量交互，实现无线通信功能。本发明不仅可以基于太阳能电池片的光电效应产生直流电，还可以无线通信，实现了双功能器件，大幅度降低了飞行器的有效载荷，体积和生产成。

Description

一种集成太阳能电池片的一体化天线
技术领域
本发明涉及太阳能电池板和通信天线技术领域，特别是涉及一种集成太阳能电池片的一体化天线。
背景技术
近年来，国内外对太阳能天线展开了广泛研究，主要分为几类：(1)利用太阳能电池板之间的间隙设计天线；(2)天线置于太阳能电池板上方，将太阳能电池板作为反射板使用；(3)在太阳能电池板上刻槽，利用槽结构形成天线；(4)利用太阳能电池板构造超材料和偶极子天线。
然而现有太阳能天线结构复杂，遮光率较高，加工成本高等缺点，没有考虑直流传输电路对天线性能的影响，因此需要提出一种新型太阳能天线结构，解决现有太阳能天线结构复杂，遮光率较高，未考虑直流传输网络对射频性能影响的问题，实现太阳能电池片和通信天线的结构和功能一体化设计。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种可用于飞行器通信的集成太阳能电池片的一体化天线。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种集成太阳能电池片的一体化天线，包括上层太阳能电池辐射结构，中层反射板和下层交直流馈电结构，通过上下两层介质板隔开，上层太阳能电池辐射结构包括太阳能电池片，多块所述太阳能电池片采用串联方式组成一个矩形太阳能条带，多个所述矩形太阳能条带并联组成全部辐射口面；所述矩形太阳能条带通过自身光电效应直流发电，将直流电通过直流馈电网络输送到直流端口，并能够通过缝隙耦合结构与交流馈线进行射频能量交互，实现无线通信功能。
多块所述太阳能电池片的正极和负极分别连接至两侧金属汇流带，从而实现串联连接起来组成一个矩形太阳能条带。
所述矩形太阳能条带通过外侧连接的垂直金属结构连接至下层直流馈电网络。
所述下层直流馈电网络包括分别与直流正电极、直流负电极连接的两个低通滤波器，两个所述的低通滤波器分别通过直流馈线与垂直金属结构电连接，所述低通滤波器只允许直流电通过，对交流信号开路。
所述上下两层介质板的下层介质板的下表面上附着有所述交流馈线，并形成有配合所述直流馈线的所述缝隙耦合结构。
所述缝隙耦合结构位于上层太阳能电池辐射结构的正下方。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的集成太阳能电池片的一体化天线，可以有效解决飞行器通信平台对天线共型、高速率数据通信和能源需求的问题，实现节约制造成本、减小有效载荷和降低体积的效果。
附图说明
图1所示为集成太阳能电池片的一体化天线的俯视图；
图2所示为集成太阳能电池片的一体化天线的侧视图；
图3所示为集成太阳能电池片的一体化天线的下层结构的俯视图；
图4所示为本发明天线与未加载太阳能电池片的天线的工作频带对比图；
图5所示为本发明天线与未加载太阳能电池片的天线的增益对比图；
图6所示为本发明天线的方向图；
图7所示为未加载太阳能电池片的天线的方向图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明采用规则太阳能电池片代替传统贴片天线中的金属贴片，可以同时用于无线通信和直流发电。
如图1所示，本发明的集成太阳能电池片的一体化天线，包括：
上层太阳能电池辐射结构，中层反射板4和下层交直流馈电结构，通过上下两层介质板(包括上层介质板5与下层介质板6)隔开，上层辐射结构包括上层太阳能电池片2，上层太阳能电池片采用串联方式组成一个矩形太阳能条带，多个矩形太阳能条带组成全部辐射口面。上层太阳能电池片可通过自身光电效应进行直流发电，也能够通过电磁耦合方式和下层交流馈线7进行射频能量交互，实现无线通信功能，下层交流馈线7的射频端口70延伸到中层反射板4的一侧端。
太阳能电池片的正极和负极分别连接至两侧金属汇流带1结构，直流能量通过两侧金属汇流带结构的经过垂直金属结构3中点连接至地板下侧的直流馈线，然后经过对称布置的两个低通滤波器9滤除高频交流信号，经对称布置的下层直流馈线8到达直流输出端口的正极11和负极12。
具体实现上，本发明中，下层交直流馈电结构中的交流馈电结构采用缝隙隙耦合结构10耦合，缝隙耦合结构10位于上层太阳能电池辐射结构的正下方，并与下层交流馈线7垂直布置，且近低通滤波器侧，其中，直流输出端口的正极11和负极12与下层交流馈线7的射频端口70的位置相反。
其中，所述的耦合缝隙结构包括矩形，X型，圆形，椭圆形，领结形，阶梯形的一种，具体不限。
本发明中，太阳能电池片既可以用来发电，又用来接收和发射电磁波信号。为了有效滤除天线交流端口的直流能量，采用缝隙耦合方式对直流能量有效隔离；为了有效滤除天线直流端口的交流能量，在直流端口和太阳能电池片之间增加低通滤波器，低通滤波器只允许直流电通过，对交流信号开路。
其中，需要说明的是，本发明中，所述的矩形太阳能电池带可以是N条，变化范围可以是1～10，或是其它范围，具体不限。
其中，太阳能电池带的长度变化范围为0.05λ～2λ(λ为中心频率波长)，太阳能电池带宽度变化范围为0.05λ～1λ，太阳能电池带之间缝隙变化范围为0.2λ～0.00001λ，太阳能电池片和中层反射板(金属板)之间的距离为0.001λ～0.5λ；具体的，所述中层反射板尺寸应大于太阳能电池片总面积，上下层介质板(如采用泡沫板)相对介电常数变化范围为1～10。具体的，交流馈电结构中耦合缝隙长度变化范围为0.001λ～1λ，宽度变化范围为0.0001λ～0.15λ。
本发明具有如下创新和有益效果(以目标频段2.4GHz附近为例，)：
(1)通过加载太阳能电池片，可以有效改善天线工作带宽，实现了18％的相对工作带宽，如图4所示；
(2)通过加载太阳能电池片，可以有效改善天线的能量集中程度，提升天线增益大于10dB，提升天线辐射方向图前后比指标大于10dB,如图6-7所示；
(3)通过加载太阳能电池片，不仅可以基于太阳能电池片的光电效应产生直流电，还可以无线通信，实现了双功能器件，大幅度降低了飞行器的有效载荷，体积和生产成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种集成太阳能电池片的一体化天线，其特征在于，包括上层太阳能电池辐射结构，中层反射板和下层交直流馈电结构，通过上下两层介质板隔开，上层太阳能电池辐射结构包括太阳能电池片，多块所述太阳能电池片采用串联方式组成一个矩形太阳能条带，多个所述矩形太阳能条带并联组成全部辐射口面；所述矩形太阳能条带通过自身光电效应直流发电，将直流电通过直流馈电网络输送到直流端口，并能够通过缝隙耦合结构与交流馈线进行射频能量交互，实现无线通信功能。
2.如权利要求1所述集成太阳能电池片的一体化天线，其特征在于，多块所述太阳能电池片的正极和负极分别连接至两侧金属汇流带，从而实现串联连接起来组成一个矩形太阳能条带。
3.如权利要求1所述集成太阳能电池片的一体化天线，其特征在于，所述矩形太阳能条带通过外侧连接的垂直金属结构连接至下层直流馈电网络。
4.如权利要求3所述集成太阳能电池片的一体化天线，其特征在于，所述下层直流馈电网络包括分别与直流正电极、直流负电极连接的两个低通滤波器，两个所述的低通滤波器分别通过直流馈线与垂直金属结构电连接，所述低通滤波器只允许直流电通过，对交流信号开路。
5.如权利要求1所述集成太阳能电池片的一体化天线，其特征在于，所述上下两层介质板的下层介质板的下表面上附着有所述交流馈线，并形成有配合所述直流馈线的所述缝隙耦合结构。
6.如权利要求1所述集成太阳能电池片的一体化天线，其特征在于，所述缝隙耦合结构位于上层太阳能电池辐射结构的正下方。
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