CN110546814A - 具有频率选择性元件的天线 - Google Patents

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Abstract

天线系统具有基板和位于基板上的天线，其中所述天线具有多个腿元件。所述多个腿元件包括导电油墨并形成连续路径。所述多个腿元件中的至少一者可单独选定或可单独取消选定以改变所述天线的谐振频率，并且被选定的腿元件创建对应于所述谐振频率的天线路径长度。在一些实施方案中，所述天线是能量采集器。

Description

具有频率选择性元件的天线
相关申请
本申请要求2018年4月3日提交的题为“Antenna With Frequency-SelectiveElements”的第15/944,482号美国非临时专利申请的优先权；所述美国非临时专利申请要求以下申请的优先权：1)2017年4月5日提交的题为“Power Management in EnergyHarvesting”的第62/481,821号美国临时专利申请；2)2017年4月7日提交的题为“DynamicEnergy Harvesting Power Architecture”的第62/482,806号美国临时专利申请；以及3)2017年5月18日提交的题为“Carbon-Based Antenna”的第62/508,295号美国临时专利申请；所有这些申请特此出于所有目的以引用的方式并入本文中。
背景技术
随着数据跟踪和移动通信被并入到广泛多种产品和实践中，无线装置已经成为社会不可分割的一部分。例如，射频识别(RFID)系统通常用于经由植入或佩戴的RFID跟踪器来跟踪和识别物体，诸如正在运输的产品、经过中转点的车辆、仓库中或装配线上的库存，甚至动物和人。物联网(IoT)是使用无线装置的另一个领域，其中联网装置连接在一起以相互传送信息。IoT应用的示例包括智能家电、智能家庭、声控助理、可穿戴技术以及诸如用于安全、能量和环境的监视系统。
由于许多应用要求这些无线电子装置非常小并且便携式，从而限制了这些装置可以被供电的方式，所以能量采集(EH)经常被用作这些装置的额外能量源。能量采集通常是能量采集部件或装置从多种能量源取得能量的过程，其中这些能量源有意地、自然地或作为副产物或副作用辐射或广播能量。可以采集的能量类型包括电磁(EM)能、太阳能、热能、风能、盐度梯度和动能等等。例如，温度梯度出现在运行的内燃机周围的区域中。在城市地区，由于无线电和电视广播，环境中存在大量EM能。因此，能量采集电路或装置可以放置在这些区域或环境之中、之上或附近以利用这些能量源的存在，即使来自这些类型能量源的能量水平可能是非常多变或不可靠的。例如，天线可以用于从诸如手机、WiFi网络和电视等EM源中捕获射频(RF)能量。能量采集通常不同于通过专用硬连线输电线路提供的直接能量供应，诸如由电力公用事业公司通过电网向特定客户提供的能量供应，每个客户都是能量源的附加电力负荷。
在某些情况下，可用于采集的能量还称为背景、环境或回收能量，这些能量并不是为了向接收装置供电而专门发射给任何特定客户或接收器的。背景或环境能量的示例是作为许多类型的电气装置或输电线路的不可避免的副作用或副产物而发射的自然EM辐射。相反，来自地面、空中或卫星无线电发射器的射频广播可以打算被接收器用于电信目的，但是那种射频能量(这是EM辐射)还能够用于非预期的能量采集目的。在这些“无意”情况下，能量采集电路只是在环境能量可用的任何时候或任何地方截取环境能量，而不会成为能量源的附加电力负荷。在其它情况下，可以提供专用的无线EM能量发射器以在已知存在能量采集电路或装置的地方广播或发射EM辐射，以供能量采集电路或装置有意采集或捕获，从而为特定电气装置提供“有意”无线电力传输系统。然而，从能量采集电路或装置的角度来看，来自EM能量发射器的有意EM辐射与环境(无意)能量相同或相似，不同之处只是有意情况可以导致更可靠的能量源。有意和无意的发射能量都可以用于能量采集。
采集能量通常被捕获以供小型的、通常是无线的、通常是自主的电子电路、部件或装置使用或被存储以供其将来使用，所述电子电路、部件或装置诸如是在某些类型的可穿戴电子器件和无线传感器装置或网络中使用的那些。因此，能量采集电路或装置通常为与能量采集电路或装置电连接、集成或以其它方式相关联的低能电子电路或装置提供非常少量的电力。这些能量采集电路通常是装置上的电池的补充电源，因为EH源不能为整个装置提供足够电力或者不能提供持续电力。
天线在高效地采集能量的能力方面发挥着重要作用。无线和IoT装置中的用于能量采集以及用于通信的天线的开发涉及到最小化尺寸、提高效率、实现多频带频率以及探查不同天线材料的研究。天线已经被并入到移动装置的外壳、可植入式装置、智能卡和包装中。REID天线通常被放置到用于包装或展示的标签(诸如小尺寸的即剥即贴标签)的表面上。一些天线是通过印刷(诸如通过丝印、柔印或喷墨)来制作的。银质油墨是导电部件最常用的油墨，尽管也已经使用了碳基和聚合物基油墨。随着无线装置变得越来越广泛，存在对更高效、更具成本效益的天线的持续需要。
发明内容
在一些实施方案中，天线系统具有基板和位于基板上的天线，其中所述天线具有多个腿元件。所述多个腿元件包括导电油墨并形成连续路径。所述多个腿元件中的至少一者可单独选定或可单独取消选定以改变天线的谐振频率，并且被选定的腿元件创建对应于谐振频率的天线路径长度。
在一些实施方案中，能量采集系统包括天线系统和电子电路。所述天线系统包括基板和位于基板上的天线。所述天线具有多个腿元件，其中多个腿元件包括碳基导电油墨并形成连续路径。所述多个腿元件中的每一者可单独选定或可单独取消选定以改变天线的谐振频率。被选定的腿元件创建对应于谐振频率的天线路径长度。所述电子电路具有通往所述多个腿元件中的每一者的连接，其中所述电子电路被配置为通过将所述多个腿元件中的第一腿元件短路到所述多个腿元件中的第二腿元件来有源地取消选定所述第一腿元件。
在一些实施方案中，天线系统包括基板和位于基板上的天线。所述天线具有多个腿元件，所述多个腿元件包括导电油墨并形成连续路径。所述多个腿元件中的第一腿元件具有取决于接收频率和第一腿元件的第一电阻抗的第一谐振频率阈值。所述第一电阻抗是基于选自以下各项的材料性质：磁导率、电容率和导电率。第一腿元件可单独取消选定以通过改变天线路径长度来改变天线的谐振频率，其中当接收频率高于第一频率阈值时，通过不活动来从天线路径长度无源地取消选定第一腿元件。
附图说明
图1A至图1B是描述本领域已知的天线极化的图。
图2A至图2B是根据一些实施方案的具有频率选择性元件的天线的侧剖视图。
图3A至图3B是示出根据一些实施方案的使用材料调谐来选定或取消选定天线的腿元件的侧剖视图。
图4是根据一些实施方案的具有带材料调谐的腿元件的平面倒F天线的透视图。
图5是根据一些实施方案的具有带数字调谐的腿元件的平面倒F天线的透视图。
图6A至图6C示出了根据一些实施方案的具有数字调谐的腿元件的天线和S参数图。
图7是示出根据一些实施方案的谐振频率定制的S参数图。
图8A至图8B示出了根据一些实施方案的微带天线的平面图和侧剖视图，电介质材料可以印刷到所述微带天线中。
图9示出了根据一些实施方案的平面倒F天线和天线增益响应。
图10示出了根据一些实施方案的正弦天线和天线增益响应。
图11A至图11C示出了根据一些实施方案的印刷在盒子上的平面天线。
图12A至图12B示出了根据一些实施方案的并入到三维基板中的折叠倒F天线的透视图和侧剖视图。
图13示出了根据一些实施方案的L槽双频带平面倒F天线的透视图。
图14示出了根据一些实施方案的印刷曲折倒F天线的透视图。
图15示出了根据一些实施方案的另一平面倒F天线的透视图。
图16示出了根据一些实施方案的矩形电磁耦合贴片天线的透视图。
图17示出了根据一些实施方案的用于制造印刷频率选择性天线的过程的示意图。
图18是根据一些实施方案的用于制造印刷频率选择性天线系统的方法的流程图。
图19是本领域已知的印刷在各种纸基板上的导电材料的电阻曲线图。
图20是根据一些实施方案的用于选定和取消选定频率选择性天线腿元件的电子电路的框图。
图21是根据一些实施方案的用于不同天线配置的频率响应图。
具体实施方式
本公开描述了具有多个腿元件的印刷天线，其中所述腿元件可单独选定或可单独取消选定以针对所需频率为活动的。通过利用天线的不同部分，可以调整天线路径长度——也就是说，给定天线方向图中的活动的部分，使得采集特定频率的能量。也就是说，本发明的天线具有可动态改变的谐振频率，其中天线元件被接通和断开以改变路径长度。本发明的天线系统充当可以看到许多频率的宽带天线，其中系统找出哪个频率是最主要的电力源并且改变天线系统的部件和元件以获得最大电力接收。
在一些实施方案中，腿元件的选择通过将每个腿元件调谐为具有一定电阻抗来无源地发生，所述电阻抗导致谐振频率阈值，超过所述阈值，腿元件将不再做出响应。电阻抗的调谐可以通过调整用于印刷腿元件的材料来实现，诸如使用具有不同电磁渗透性、电容率和/或导电率的油墨。也可以改变用于制作腿元件的材料类型以影响天线的频率响应特性。当天线接收到一个频率时，如果接收频率低于那个特定腿元件的谐振频率阈值，则所述腿元件将是活动的，并且如果接收频率高于阈值，则所述腿元件将是不活动的。有源腿元件在给定时间处的总路径长度因此改变天线的总谐振频率。
在其它实施方案中，腿元件的选择通过将腿元件短路在一起从而取消选定腿元件并且减小天线路径长度的电子开关来有源地发生。电子开关是通过耦合到天线的腿元件的电子电路(诸如微处理器)来实现的。
在一些实施方案中，腿元件的可调谐振频率可以通过天线元件的几何形状来实现，诸如通过使用锥形片段。在一些实施方案中，还可以在天线的腿元件之间印刷电介质材料以调整整个天线的电容。
在一些实施方案中，本发明的天线可以被配置为二维平面设计。平面天线可以在由基板制成的物体(诸如装运箱)的一个或多个面上方延伸。
在另外实施方案中，天线本身具有集成在基板内的三维(3D)几何形状。3D天线具有印刷到基板的部件上的多个导体，其中所述部件被接合并堆叠在一起以形成基板。本发明的3D天线独特地利用基板材料的3D特征，诸如瓦楞纸板的多层构造和瓦楞层本身的3D特征。3D天线的实施方案可以优于二维(平面)设计增加天线的表面积。较大的表面积增加了可以采集的能量的量且/或改善了通信的接收和发射。3D天线还可以通过经由可选择的腿元件更改天线的路径长度来调整以在各种频率下进行操作。
本发明实施方案的天线可以印刷在多种基板上，包括纸基材料，诸如标签、卡片和例如纸板等包装；或者印刷在诸如玻璃或塑料等非纸质材料上。本发明的天线可以使用任何导电材料(诸如金属和碳基油墨)来印刷。碳墨可以包含结构化碳，诸如石墨烯和碳纳米洋葱，或其混合物。
本发明实施方案的属性包括天生柔性天线技术以及增强的RFID范围和灵活性。本发明天线系统的应用包括：人员遥测徽章或服装；分组能量采集和传送；自主和群体数据遥测和数据收集；不干涉装运交易；库存控制，包括港务局；位置和内部内容控制；监视易腐物品的温度、湿度、震动等；以及内部产品或连接电路的能量采集式供电或充电。
虽然将主要根据偶极天线来描述实施方案，但是这些概念适用于任何类型的天线，包括阵列天线和缝隙天线。缝隙天线通常在介于300MHz与24GHz之间的频率下使用，很受欢迎，因为其可以从上面将要安装所述天线的任何表面切下，并且具有大致全向的辐射图案(类似于偶极天线)。缝隙天线的极化是线性的。缝隙的尺寸、形状及其背后的东西(空腔)提供了可以用于调谐性能的设计变量。为了增加天线的方向性，一种解决方案是使用反射器。例如，以导线天线(例如，半波偶极天线)开始，可以在其后面放置导电片以在正向方向上引导辐射。为了进一步增加方向性，可以使用角形反射器。微带或贴片天线正变得越来越有用，因为它们可以直接印刷到电路板上。
将主要相对于能量采集来描述实施方案，其中天线是通过吸收能量的能量采集器。然而，这些概念还适用于所有类型的数据的发射和接收，诸如但不限于数字、模拟、语音和电视信号。
常规天线
首先将描述用于增强无线二维(2D)平面天线的接收的设计因素。天线设计的一个考虑因素是天线增益。简而言之，较高增益的天线增加了从天线接收的功率。为了确保天线具有最长的到达距离，需要高增益天线设计(例如，9dBi或更高)。简而言之，增益越高，天线的射程就越大，反之亦然。另一个考虑因素是大小和方向。对于定向来说，通过确保天线相对于来源完全面向或恰当定向来实现任何天线的最佳射程。关于大小，根据一般经验，小天线将具有较短射程，并且大天线将具有较长射程。无源RFID天线的天线射程可以从几英寸到50多英尺不等。因为较大天线将比较小天线广播得更远，所以一般来说，天线越大，天线的射程就越长。
天线极化是2D(平面)天线设计的另一个考虑因素，如图1A至图1B所示。极化是指天线正生成的电磁场的类型。图1A所示，线性极化是指沿单个平面的辐射。图1B所示，圆形极化是指将辐射功率拆分到两个轴并且接着“旋转”电磁场以覆盖尽可能多平面的天线。如果天线与源极化对齐，则吸收会增强，其中线性极化天线将接收到比圆形极化天线更多的信号。此外，因为对于线性天线，没有将功率拆分在一个以上轴上，所以线性天线的场将比具有相当增益的圆形天线的场延伸得更远，因此当与天线源对齐时，允许更长的天线射程。如果天线不与源的极化对齐，则圆形极化天线将具有比线性极化天线延伸得更远的场。
电阻率是2D天线设计的又一个考虑因素，其中导体电阻率增加会减少天线接收。印刷天线已经在工业中得到考虑，以便实现可以完全集成到材料生产线(诸如包装制造)中的RFID技术。然而，印刷天线的一个缺点是与铜天线相比，其辐射效率降低，因为其印刷迹线的体导电率低于固体金属。印刷天线的主要缺点是与用固体金属制造天线相比，其导电率有限。导体和导电率的基本定律表明，欧姆损耗随着导体厚度增加而减小。即使印刷油墨迹线不是同质的，类似的行为也将适用于印刷迹线。具有给定长度和宽度并且印刷有特定油墨厚度的输电线路的总电阻与长度成正比并且与迹线宽度和厚度成反比。欧姆损耗对辐射效率损失的影响要比阻抗失配引起的影响严重得多。
这由以下等式表达：
eCONDUCTOR＝eMISMATCH·eOHMIC (等式1)
随着无线电子器件的遥测需求和先进特征的增长，需要增加操作功率。需要改善的大规模天线，并且成本与现有天线相同。
遥测和IoT应用也需要在能量采集的其它方面进行改善，诸如能够采集周围环境中可用的各种频率。一些常规的多频带天线系统利用整流电路来实现与天线的阻抗匹配。其它已知的天线设计包括多个天线，其每一者都是针对特定频率来设计的，其中电路在不同天线之间进行切换。另一种已知类型的天线是分形宽带天线，其利用分形图案。分形图案使得能够同时接收多个频率，因为在分形设计内有各种路径长度可用。然而，虽然这些分形天线是宽带的，但是其对每个单独频率的接收很差，因为信号电流同时遍布在多个频率上。
具有频率选择性腿元件的天线
本发明实施方案的天线包括单个天线，所述天线具有可修改的天线路径长度，使得可以调整天线的谐振频率。例如，可以根据当时周围环境中的哪个频率具有最强信号来动态改变谐振频率。因此，本发明的天线使得能够在能量采集中实现功率优化。
本发明的天线具有形成连续路径的多个腿元件，其中一个或多个腿元件可以在天线在所需的谐振频率下进行操作期间被取消选定—也就是说，不活动。与(例如)同时接收许多频率的分形天线相反，所述天线仅在特定谐振频率下聚集能量。由于仅采集一个频率，所以天线的执行效率很高。如果需要不同频率作为能量采集的目标，诸如如果已经采集的第一信号不再可用，但是第二信号的强度已经增加，则可以调整天线以具有与第二信号的频率对应的不同天线路径长度。
一般来说，天线的长度被设置为对应于其被设计所针对的谐振频率的波长。例如，标准偶极天线具有两根杆，每根杆的长度为目标谐振频率的四分之一波长。偶极天线的总长度是二分之一波长，这导致杆中电压和电流的驻波。驻波是由总360度相位变化引起的，因为来自天线馈入点的电流沿着四分之一波长天线杆行进，从导体(即，天线杆)的端部反射，并且沿着天线杆往回行进到馈入点。波长λ(以米为单位)与频率f(以MHz为单位)相关，等式如下：
λ＝300/f (等式2)
因此，待接收的频率越高，天线长度就越短。本发明实施方案利用这个原理以及由印刷腿元件启用的可选天线元件。
图2A至图2B是描述频率选择性元件概念的天线的侧剖视图。在图2A至图2B中，例如，天线200具有多个腿元件210、220和230，其一起可以用作偶极天线的一个臂。注意，在本公开中，腿元件还可以称为腿段。为了形成偶极天线的第二臂，接地平面(未示出)连接在端部201处，所述端部201位于腿段210的端部处。腿段210具有长度L1，腿段220具有长度L2，并且腿段230具有长度L3。在这个实施方案中，长度L1、L2和L3被示出为全部彼此不同，但是在其它实施方案中，长度可以全部相同或者可以是相同和不同长度的组合。此外，虽然天线200被描绘为线性的，但是天线200可以是任何形状，诸如但不限于弯曲、螺旋或具有成角度弯头。
在图2A中，所有腿元件210、220和230都是活动的，使得天线路径长度为LAeff＝L1+L2+L3。在图2B中，元件230已经被取消选定，使得天线路径长度减小到LBeff＝L1+L2，这比LAeff短。由于频率根据等式2与波长成反比并且LAeff>LBeff，所以以图2A的模式进行操作并且所有元件均活动的天线将在比处于图2B的模式并且腿元件230不活动的相同天线低的频率下谐振。因此，图2A至图2B表明通过利用天线臂内的一个或多个腿元件的不同组合来改变天线臂的有效长度会使天线的谐振频率移位。
在本文公开的任何实施方案中，这些概念可以与修整天线元件的尺寸结合使用以进一步定制频率响应。例如，腿元件的宽度可以沿其长度逐渐变细。
本发明实施方案公开一种天线系统，其具有基板和位于基板上的天线，其中天线具有多个腿元件。多个腿元件包括导电油墨(即，由导电材料印刷)并形成连续路径。所述多个腿元件中的至少一者可单独选定或可单独取消选定以改变天线的谐振频率，并且被选定的腿元件创建对应于谐振频率的天线路径长度。谐振频率可以通过由于多个腿元件中的被取消选定的腿元件不活动而减小天线路径长度来改变。在一些实施方案中，导电油墨是碳基的，并且基板包括纸。在一些实施方案中，天线是能量采集器。
频率选择性材料调谐
在一些实施方案中，通过定制腿元件的材料来选定或取消选定腿元件，这影响腿元件的电阻抗并因此影响其频率响应。
阻抗描述交流电流经一个元件有多困难。在频域中，阻抗是具有实部和虚部的复数，这是由于天线表现为电感器。虚部是感抗分量XL，其是基于天线的频率f和电感L：
XL＝2πfL (等式3)
随着接收频率增加，电抗也增加，使得在特定频率阈值下，元件将不再活动(当元件的阻抗高于(例如)100欧姆时)。电感L受材料的电阻抗Z影响，其中Z与磁导率μ和电容率ε这些材料性质相关，关系如下：
因此，天线的材料性质的调谐改变了电阻抗Z，电阻抗Z影响电感L并且因此影响电抗XL。
本发明实施方案独特地认识到，具有不同电感的腿元件将具有不同的频率响应。也就是说，具有高电感L(基于电阻抗Z)的天线元件将在比具有较低电感的另一个天线元件低的频率下达到特定电抗。根据等式3，与较高频率相比，阻抗在较低频率(例如，20MHz至100GHz)下较低。阻抗低于较高阻抗腿元件的天线腿元件将活动并且被用来增加天线的路径长度以拟合所需频率的谐振(根据等式2)。随着频率增加，元件的阻抗增加并且在某个谐振频率阈值下变得不活动(即，被忽略)，以便有效地缩短天线的路径长度，从而改变谐振频率。基于频率响应来选定或取消选定腿元件由于材料本身的性质来无源地发生而不需要电子控制。频率选择性材料调谐这个新颖概念用于通过调整由活动元件创建的天线路径长度来影响天线的最佳谐振调谐。在一些实施方案中，天线的响应还可以受到天线材料的导电率σ影响。
本发明实施方案利用磁导率、电容率和导电率这些材料性质来设计具有特定电阻抗的每个腿元件以产生特定谐振频率阈值。换句话说，天线材料的调谐用于创建宽带天线元件以实现最大化能量采集和功率传输性能。由此产生的“元天线”可以以小增量微调到各种频率，诸如在兆赫到千兆赫范围内，只受到可以安装在基板上的天线长度的物理限制的限制。通过将腿元件的频率响应设计到天线的材料中，天线独特地具有可无源选定或可无源取消选定的腿元件。也就是说，不需要诸如微处理器等电子电路来改变天线的路径长度。相反，某些腿元件将在其被设计所针对的特定频率下自然地开启或关掉。
图3A至图3B是示出使用材料调谐来选定或取消选定天线的腿元件的实施方案的侧剖视图。类似于图2A至图2B的天线200，图3A至图3B的天线300具有多个腿段310、320和330。腿段310、320和330可以形成天线的一个臂，而第二个臂(例如，接地平面)连接在端部301处，所述端部301位于腿段310的端部处。腿段310具有长度L1和磁导率μ1，腿段320具有长度L2和磁导率μ2，并且腿段330具有长度L3和磁导率μ3。长度L1、L2和L3在这个实施方案中被示出为全部彼此不同，但是在其它实施方案中，长度可以全部相同，或者可以是相同和不同长度的组合。此外，虽然天线300被描绘为线性的，但是可以使用其它形状，诸如但不限于弯曲、螺旋或成角度的。
沿着天线300的长度的磁导率是分级的，其中磁导率远离接地平面(在端部301处)增大，使得μ1小于μ2，μ2小于μ3。由于磁导率与电阻抗成比例，电阻抗影响电感并且因此影响频率响应，所以随着频率增加，将取消选定腿元件330并且接着取消选定腿元件320，因而减小天线300的路径长度。换句话说，对于每个腿元件320和330，存在对应谐振频率阈值，高于所述阈值，腿元件320或330的频率响应导致腿元件320或330不以足以使腿元件320或330活动并对天线300有贡献的水平进行传导。因此，在高于腿元件330的谐振频率阈值但低于腿元件320的谐振频率阈值的接收频率下，腿元件330通过由于其所得阻抗的高水平而不活动来被取消选定，并且腿元件320通过由于其所得阻抗的较低水平而活动来被选定。此外，如果接收频率处于比腿元件320的谐振频率阈值甚至更高的水平，则腿元件320也将通过由于其所得阻抗的高水平而不活动来被取消选定。
例如，在图3A中，EM信号的接收频率足够低而使得所有腿元件310、320和330的所得阻抗足够低，使得所有腿元件310、320和330均活动。也就是说，图3A中的接收频率低于腿元件310、320和330的谐振频率阈值。因此，天线路径长度为LAeff＝L1+L2+L3，并且天线具有对应于四分之一波长LAeff的谐振频率。图3B表示如下情况，其中接收频率高于图3A，足够高而使得腿元件330的所得阻抗太高，以致于腿元件无法对天线300做出贡献。因此，在图3B中，腿元件330是不活动的，其中接收频率高于腿元件330的谐振频率阈值。天线路径长度被减小为仅LBeff＝L1+L2，这比LAeff短。图3B的天线将具有比图3A的天线高的谐振频率。
图3A至图3B演示了天线实施方案，其中多个腿元件中的第一腿元件具有取决于接收频率的第一谐振频率阈值。当接收频率高于第一频率阈值时，通过不活动来从天线路径长度无源地取消选定第一腿元件。在一些实施方案中，多个腿元件中的第二腿元件具有取决于接收频率的第二谐振频率阈值，第二谐振频率阈值高于第一谐振频率阈值；并且当接收频率低于第二谐振频率阈值时，通过谐振来无源地选定第二腿元件。当接收频率高于第二谐振频率阈值时，除了第一腿元件之外，还可以无源地取消选定第二腿元件，从而减小天线路径长度。在一些实施方案中，第一谐振频率阈值是基于第一腿元件的第一电阻抗；第二谐振频率阈值是基于第二腿元件的第二电阻抗，第二电阻抗由于材料性质的差异而不同于第一电阻抗；并且材料性质选自：磁导率、电容率和导电率。
在一些实施方案中，天线系统包括基板和位于基板上的天线。天线具有多个腿元件，所述多个腿元件包括导电油墨并形成连续路径。所述多个腿元件中的第一腿元件具有取决于接收频率和第一腿元件的第一电阻抗的第一谐振频率阈值。第一电阻抗是基于选自以下各项的材料性质：磁导率、电容率和导电率。第一腿元件可单独取消选定以通过改变天线路径长度来改变天线的谐振频率，其中当接收频率高于第一频率阈值时，通过不活动来从天线路径长度无源地取消选定第一腿元件。在某些实施方案中，所述多个腿元件中的第二腿元件具有取决于接收频率和第二腿元件的第二电阻抗的第二谐振频率阈值；第二谐振频率阈值由于与第一脚元件相比的材料性质的差异而高于第一谐振频率阈值；并且当接收频率低于第二谐振频率阈值时，通过谐振来无源地选定第二腿元件。
图4是天线400的透视图，在标准平面倒F天线(PIFA)设计中实施材料调谐概念。天线400的实施方案具有接地平面405和作为天线400的片段的多个腿元件401。腿元件401包括第一腿元件410和第二腿元件420。第一腿元件410具有磁导率μ1，并且第二腿段420具有磁导率μ2，其中μ1>μ2。如虚线框415指示，腿元件410将在高于其谐振频率阈值的接收高频下不可用，因为腿元件410的阻抗将太高。换句话说，在足够高的频率下，腿元件410将不做出响应，并且电流将在腿元件410与420之间的接合点处反射。因此，沿着“F”形路径的天线路径长度缩短，从而增加了谐振频率。在甚至更高的频率下，腿元件420也将变得不可用，因为阻抗将太高，使得电流流动所沿的天线路径长度在长度上进一步缩短。也就是说，虚线框415和425的区域将被取消选定以增加谐振频率。
通过印刷天线来独特地使沿着天线长度更改材料性质的能力成为可能。印刷可以通过(例如)喷墨、柔印或丝印方法来执行。在一些实施方案中，材料的导电率沿着天线变化。在使用碳基油墨的示例中，碳同素异形体的类型(例如，石墨烯、碳纳米洋葱等)可以在腿元件之间变化，或者同素异形体的导电率可以变化(例如，低密度石墨烯具有比较致密石墨烯低的导电率)。在一些实施方案中，可以改变材料的磁导率以影响腿元件的频率阈值。例如，铁磁材料(例如，氧化铁)可以用于低频率(例如，500kHZ至500MHZ)，顺磁材料(例如，硅化亚铁)可以用于高频率(例如，500kHZ至5GHZ)，或者可以使用反铁磁材料。在一些实施方案中，电容率，单独地或与导电率和磁导率相结合，可以被调谐以实现腿元件的所需阻抗值。
通常，常规的天线元件由单一类型的材料制成，其相关联导电性影响特定谐振频率。相反，本发明实施方案中的天线材料是印刷的，其中印刷油墨可以被定制为在单个天线的子部分内具有可变性质以通过改变针对某个谐振频率活动的天线路径长度来影响那个谐振频率。材料性质的定制可以通过修改腿的磁导率、电容率和/或导电率来实现。在增强的能量接收和发射的情况下，这种对天线材料的修整不会导致天线和/或匹配网络中的元件的进一步改变。
频率选择性数字调谐
除了通过调谐天线材料以对不同频率做出响应来改变路径长度之外，在一些实施方案中，天线的路径长度可以通过电子选定或取消选定腿元件来改变。图5示出了类似于图4的PIFA设计的天线500，其中天线500具有用作一个天线臂的接地平面505和用作第二天线臂的多个腿元件501。所述多个腿元件501包括第一腿元件510、第二腿元件520和第三腿元件530。腿元件510、520和530是形成正弦图案的平行片段，在其之间具有间隙，诸如位于腿元件510与520之间的间隙560以及位于腿元件520与530之间的间隙561。电连接515、525和535分别在腿元件之间的接合点处连接到腿元件510、520和530的端部。电连接515、525和535是电耦合到诸如微处理器等电子电路550的电引线。电子电路550，其在本公开的“调谐电路”部分中进行描述，可以将腿元件短接在一起以将其取消选定。例如，连接515和525可以由电子电路桥接，使得腿元件510短接到腿元件520，从而有效地消除(即，取消选定)腿元件510的存在。
图6A至图6C示出了可以如何取消选定腿元件以改变天线500谐振所在的频率。针对腿元件的不同组合示出S参数(S1,1)曲线图。在图6A中，使用全天线500，其中所有腿元件501被选定并活动。在图6A中，谐振频率为2.42GHz。在图6B中，腿元件510已经被功能性地移除，如空白区域517指示。这种对腿元件510的取消选定通过使用电子电路550将连接515和525桥接在一起从而将腿元件510短接到腿元件520来实现。图6B中的所得天线路径长度小于图6A的全天线，并且因此，中心频率向高移位到2.475GHz。在图6C中，腿元件510和520两者都已经被移除，如空白区域517和527指示。腿元件510和520已经通过将连接515、525和535桥接在一起从而将腿元件510、520和530短接到彼此来被取消选定。虽然图6C的天线路径长度比图6A或图6B甚至更短，但是频率并没有像预期那样增加，而是由于在F形设计中消除了平行腿元件(例如，消除了由间隙560和561造成的电容效应)引起的电容减小而向低移位到2.34GHz。因此，可以看出，整个天线的几何形状(例如，正弦、螺旋形、线性)可以创建电容效应，所述电容效应可以与可选腿元件结合使用以针对所需谐振频率修整天线。
图5和图6A至图6C表示如下实施方案，其中天线系统具有电子电路，所述电子电路具有通往所述多个腿元件中的每一者的连接。所述电子电路被配置为通过将所述多个腿元件中的第一腿元件短路到所述多个腿元件中的第二腿元件来有源地取消选定所述第一腿元件。
在一些实施方案中，能量采集系统包括天线系统和电子电路。天线系统包括基板和位于基板上的天线。天线具有多个腿元件，其中多个腿元件包括碳基导电油墨并形成连续路径。所述多个腿元件中的每一者可单独选定或可单独取消选定以改变天线的谐振频率，并且被选定的腿元件创建对应于谐振频率的天线路径长度。电子电路具有通往所述多个腿元件中的每一者的连接，其中所述电子电路被配置为通过将所述多个腿元件中的第一腿元件短路到所述多个腿元件中的第二腿元件来有源地取消选定所述第一腿元件。
在一些实施方案中，电子电路包括识别电路，其识别周围环境中的多个可用频率并且基于所述多个可用频率的功率水平来设置谐振频率；以及开关电路，其与所述连接通信以通过选定或取消选定所述多个腿元件中的腿元件来调整天线路径长度以对应于谐振频率。在某些实施方案中，识别电路包括微处理器，其将谐振频率设置为多个可用频率中的具有最高功率水平的频率。
在一些实施方案中，可以组合使用材料调谐和电子开关实施方案。例如，图4中的不同磁导率的腿元件还可以具有图5的电引线连接。组合这些方法可以导致能够实施的谐振频率响应改变的更进一步定制。这(例如)由图7的S参数曲线图700示出。曲线表示不同长度的线性天线的S(1,1)响应，其中曲线710表示单位长度1，曲线720表示单位长度2，曲线730表示单位长度3，曲线740表示单位长度0.75，并且曲线750表示单位长度0.5。如可以看出，由于不同的天线长度，谐振频率峰值相对于彼此偏移。曲线715示出了针对曲线710的一个谐振峰与电气开关组合使用材料调谐。也就是说，当数字调谐与材料调谐组合时，曲线710的窄谐振峰变宽。换句话说，通过电子取消选定元件创建的天线长度仍将导致特定谐振频率响应，但是当结合使用材料调谐时，在那些谐振频率周围具有更宽的频带响应。可以看出，本发明的天线可以用作谐振器，其被制定为在特定频率下进行操作，包括在特定频率周围的谐振频率范围下。
电容调谐
在额外实施方案中，可以在天线结构和/或基板内印刷电介质材料以改变天线的电容。例如，可以在多个腿元件中的两个腿元件之间使用印刷电介质元件。这个电容调谐概念由图8A和图8B所示的微带天线800来演示，其中图8A是平面图并且图8B是侧剖视图。贴片天线810由微带传输线路820馈给，两者都安装在基板830的表面上。接地平面840安装在基板830的相对表面上。贴片天线810、微带传输线路820和接地平面840由高导电性金属(在常规天线中通常是铜)制成。贴片天线810具有长度L和宽度W这些维度。基板830是厚度为h且电容率为εr的电介质电路板。接地平面840或由天线810和传输线路820形成的微带的厚度并不重要。通常，高度h比操作波长小得多，但是不应比波长的0.025(波长的1/40)小得多，否则天线效率会降级。
贴片天线810的操作频率由长度L决定。中心频率fc(即，谐振频率)将近似地由下式给出：
因此，天线800的谐振频率受基板830的电容率影响。在图8B的实施方案中，可以在基板830的前表面(和/或后表面)上印刷电介质层850以改变基板830的总电容率。在其它实施方案中，基板830可以是分层的，诸如瓦楞纸板结构，其中电介质元件可以印刷在纸板的任何外表面上和/或纸板的中间层内(例如，瓦楞层上)。印刷电介质的使用独特地使得能够微调材料性质和尺寸以调整电容并且最终调整天线的频率响应。
在一些实施方案中，可以在腿元件之间使用印刷电介质元件以定制天线的频率响应。例如，回到图5，间隙560和/或间隙561可以使用印刷电介质油墨来创建。可以定制油墨的性质以在腿元件之间创建特定电容。印刷电介质的尺寸也可以通过印刷工艺来控制。
基板上的2D天线
现在将提供天线设计的示例，其中上述频率选择性属性可以用基板上的印刷天线来实施。将首先描述平面(2D)天线。
图9示出了被配置为PIFA设计的天线900，如先前相对于图4和图5所描述。在这个偶极设计中，PIFA天线900具有用作一个导体的F形天线901和用作另一个导体的接地平面905。在2.443GHz的频率下建模天线900的示例天线增益响应910(以dBi为单位)，示出了所有方向上的均匀辐射图案。换句话说，天线增益响应910演示了这种天线900具有接收或发射的方向性，其可以从实际上任何方向发射或接收。
图10示出了正弦天线1000，其具有两对相同的正交平面臂1001和1002。每个臂1001和1002可以配置有如本公开的材料调谐、可电子开关和/或电容调谐实施方案中所述的可选腿元件。每个臂1001和1002的边缘是正弦曲线，其在具有对数径向周期的角扇形θ的等分线1005上来回摆动。每个臂1001和1002是等分线1005两侧上的几何相似单元的交替序列。扇形角θ可以接近180度或更大，使得相邻臂的单元交错但不接触。每个臂的几何形状由两个角度、对数周期性生长常数和内外半径完全指定(在已知技术中由DuHamel和Filipovic&Cencich描述)。高性能正弦天线通常是自补的并且紧密缠绕以在操作频带上实现稳定的辐射图案和阻抗。在两种设计处示出响应1010和1020，其中谐振频率为2.75GHz的天线具有响应1010，并且谐振频率为5GHz的天线具有响应1020。
图11A至图11C示出了印刷到物体1120(诸如装运箱)的两个相邻侧1122和1124上的平面天线1110。天线1110的两个天线臂1101和1105(即，导体)可以是(例如)PIFA设计的接地平面和F形元件。图11B至图11C示出了可以更改元件1101的长度以获得所需的谐振频率(例如，如图7的曲线图所示)，其中在这个实施方案中，天线元件(臂)1001的路径长度在图11B中比在图11C中要短。天线路径长度的改变可以通过取消选定天线臂1101内的腿元件来实现。
虽然PIFA和正弦天线几何形状是已知的，但是图9和图10示出了本发明实施方案的频率选择性天线设计可以应用于从简单到复杂的广泛多种几何形状。因为本发明的天线是印刷的，所以可以实现比传统天线复杂得多的几何形状。图11A至图11C演示了本公开的天线可以以3D方式配置，以便改善极化。
基板上的3D天线
本发明的频率选择性印刷天线还可以通过将天线部件作为电活性分层集成到基板的表面和夹层上用于电磁场接收来实施为3D结构。为了增加常规天线的接收，在本发明实施方案中改善了天线的尺寸、数目和维度。虽然这里的一些实施方案将根据诸如瓦楞纸板等包装来描述基板，但是包括纸、玻璃和塑料在内的其它类型的多层基板也包括在本公开的范围内。
在一些实施方案中，基板材料本身是2D或3D能量装置——不仅仅是像在常规天线中那样印刷到基板外侧上的天线，而是真正的2D/3D能量采集器。本公开的频率选择性天线技术被并入到多层材料层内，包括诸如瓦楞纸箱等包装类型。本发明的天线技术利用导电材料和电介质材料进行用于遥测和能量采集的RF接收以向RFID和先进电子器件供电。天线可以用于(例如)能量采集或通信，诸如提供915MHz或2.45GHz的RF能量采集功能，或其它合适或可用的电磁能量源。
众所周知，可以向2D天线添加3D特征，诸如通过弯曲天线部件，以增加天线接收。然而，弯曲材料通常会因电阻降级而产生较高损耗，因为天线的输入阻抗会在因弯曲而扭曲时改变。
在本发明实施方案中，弯曲天线材料中的电阻降级得到减轻，使得结构的弯曲产生3D效果，所述3D效果可以被修整以改善整个匹配天线的阻抗，从而增加总性能。使用诸如纸板等3D基板层作为导体和电介质来形成谐振腔不仅允许高接收性能，而且允许多个频率。随着经由3D结构得到性能提高，可以在设计的构造中放宽电阻限制。
图12A是折叠式倒F天线1200(FIFA)的透视图，但是其被实施为可以集成到基板中的3D结构。图12B是局部侧剖视图。天线臂1210是辐射元件，其可以如前所述配置有频率选择性元件。天线臂1210由基板1230的第一层1231上的顶部金属化层1212和底部金属化层1214制成(注意，为了清楚起见，未在图12A中示出基板1230)。从金属化层1212和1214两者蚀刻出狭槽1216，从而将天线臂1210分成子贴片1218。为简单起见，在图12B中示出了形成三个子贴片1218的每个层1212和1214中的两个狭槽1216，但是其它配置也是可能的(例如，五个子贴片或其任何适当数目)。通孔1219连接金属化层1212和1214。为了使天线正确地操作，天线臂1210安装在接地平面1240上方的特定高度，由馈给引脚1280和短接引脚1290支撑，所述短接引脚1290连接辐射天线元件1210的顶部和底部金属化层1212和1214并且向下继续延伸到接地平面1240。接地平面1240在图12B中被示出为在基板1230的第二层1232的内表面上，但是还可以在外表面(即，第二层1232的外部表面)上。在操作中，引线1285提供通往馈给引脚1280的电连接以收集来自天线1200的输出信号。
在图12B中，基板1230是体现为瓦楞介质的3D结构。例如，第一层1231可以是第一挂面纸板，并且第二层1232可以是堆叠在第一层1231上的第二挂面纸板，其中中间层1233位于第一层1231与第二层1232之间的间隙G中。在这个实施方案中，中间层1233被示为带凹槽的瓦楞层。在基板1230的设计中，间隙G可以根据天线臂1210与接地平面1240之间的所需高度来定制。在另外实施方案中，印刷电介质部件可以插入在间隙G内以修整天线1200的总电容，诸如在间隙G内的第一层1231、第二层1232和中间层1233的任何表面上。在一些实施方案中，中间层1233的若干部分可以印刷有导电材料，使得可以与电子电路进行电连接以选定和取消选定腿元件。这些印刷导电元件1235a和1235b的示例分别在中间层1233的上表面和下表面上示出。
在一些实施方案中，接地平面1240可以用作屏蔽元件。例如，如果基板1230是制成装运容器的瓦楞纸板，则基板1230可以被定向成使得第二挂面纸板1232在盒子的外部上。具有覆盖其的接地平面1240的容器的任何部分将对容器内的内容物具有电磁屏蔽。注意，接地平面1240可以如图12B所示位于第二挂面纸板1232的内表面上，或者位于第二挂面纸板1232的外表面上(第二挂面纸板1232的外部)。
图13示出了L形狭槽双频带平面倒F天线(PIFA)1300的透视图。天线1300包括用作天线臂1310的矩形平面元件、接地平面1340、馈给引脚1380和短路板1390。短路板1390在图13中体现为多个短路引脚。平面元件(天线臂1310)与接地平面1340之间的短路板1390通常比被短路的平面元件的侧面窄。L形狭槽PIFA型天线臂1310可以具有并入到其中的频率选择性腿元件以使天线1300能够具有可调整的谐振频率。此外，天线1300可以以相对于图12A和图12B所描述的类似方式集成到3D基板中。图13还示出了天线增益响应1303，其中天线1300在平行于接地板1340的平面中在径向方向上具有均匀辐射。
图14是印刷梳状倒F天线1400的透视图。天线1400在电介质1430上方具有蚀刻金属线，从而形成梳状倒F形天线臂1410。馈给引脚1480将F的外部管脚短接到位于电介质1430的背表面上的接地平面的边缘(在这个视图中不可见)。接地平面覆盖电介质的一部分，即，不落在梳状倒F臂1410正下方的部分。通过馈给引脚1480相对于第二管脚处的接地平面边缘对天线臂1410进行馈给。梳状倒F型天线臂1410可以将频率选择性腿元件并入到其中以使得天线1400能够具有可调整的谐振频率。此外，天线1400可以以相对于图12A和图12B描述的类似方式集成到3D基板中。图14还示出了天线增益响应1403，其中天线1400在平行于接地板1340的平面中在径向方向上具有均匀辐射。
图15示出了另一平面倒F天线1500的透视图，其中这种PIFA型式是频率选择性腿元件可以作为3D结构并入到其中的设计的又一示例。天线1500通常具有用作天线臂1510的矩形平面元件、接地平面1540和宽度比平面元件的缩短侧窄的短路板1590。还示出了馈给引脚1580，其用作由天线1500接收的频率信号的馈给点。示出了天线增益响应1503a，其中曲线图1503b是对应的S(1,1)响应图。
图16示出了矩形电磁耦合贴片天线1600的透视图。EM耦合贴片天线1600具有电磁耦合的贴片元件1610和馈给线路1680。贴片元件1610位于还包括下部电介质1632的双电介质基板1630的上部电介质1631之上。馈给线路1680位于上部电介质基板1631与下部电介质基板1632之间，并且在贴片1610下方延伸。通过将贴片元件1610放置在厚基板1630之上来改善带宽(双电介质结构比单层厚)，同时通过将馈给线路1680放置为更靠近接地平面1640来限制乱真辐射，所述接地平面1640位于电介质1632的后表面上。频率选择性腿元件可以并入到贴片元件1610中，并且整个天线1600可以被构造为集成到基板材料中的3D结构。还示出了天线增益响应1603。
图12A/B到图16是已知类型的天线的示例，本公开的频率选择性腿元件可以作为3D结构并入到这些天线中。在一些实施方案中，3D结构被实施到多层基板(诸如瓦楞介质)中。可以使用的瓦楞结构的示例包括单面、单壁、双壁和三壁。可以添加单层、双层或甚至更多层以成为高接收天线系统。基板的部件上的单独沉积层可以被层压或胶合到最终结构中。在一些实施方案中，用于将基板层粘附在一起的接合剂还可以用于通过更改天线的总电容，诸如通过在中间层中使用印刷电介质，来修整天线的频率响应。
在一些实施方案中，诸如图12B表示，用于天线的基板包括第一层、堆叠在第一层上的第二层以及位于第一层与第二层之间的间隙中的中间层。多个腿元件位于第一层上，所述多个腿元件形成天线的第一天线臂。天线还包括位于第二层上的第二天线臂(例如，用于偶极天线的接地平面)以及位于中间层上的导体(例如，导电元件1235a和1235b)，所述导体将第二天线臂电耦合到所述多个腿元件。在某些实施方案中，多层基板可以是纸板，其中中间层是瓦楞介质。在一些实施方案中，基板的第一层与第二层之间的间隙用作第一天线臂与第二天线臂之间的电介质。在一些实施方案中，间隙的特性可以被定制以影响天线行为。例如，间隙距离和间隙中的材料(例如，空气、中间层的基板材料和插入到间隙中的电介质)的性质可以改变天线的电容效应并且因此改变天线的频率响应。
可以在基板中使用各种类型的3D特征，诸如典型瓦楞介质中的凹槽结构(在与波平面正交的z方向上延伸的x-y平面中的波图案)。然而，其它3D特征也是可能的，诸如在x、y和z方向上的波，或者各种类型的波图案。一般来说，本公开的实施方案中所使用的3D特征应具有弯曲过渡，因为尖锐边缘将造成天线内的电路径不连续。在一些实施方案中，基板的3D特征可以被设计为还有助于天线的谐振频率。例如，当中间层上印刷有导电线以用作通往开关电路的电连接时，波纹的周期可以根据期望采集或发射的谐振频率来设计。
以包装材料为例，将本发明的天线集成到包装容器中使得能够显著增加能量采集功能性。作为样本配置，对于80％的区域并入有天线材料的侧面为1ft2的小盒子，包装容器可以在大约2.6伏下产生大约0.5至1毫安。使用像低成本超级电容器的存储装置，与常规能量采集装置相比，这个电流量可以为显著更多的功能(包括存储器)供电。改善功能性的应用的一个示例是在装运期间记录包裹的温度。
3D印刷天线的制造
图17示出了用于制造印刷频率选择性天线的示例工艺的示意图。图17的示意图示出了3D天线封装材料，但是所述工艺也适用于2D(例如，单层)基板。图18是对应流程图。在图17和图18的一些实施方案中，能量采集装置包括印刷包装材料，其中导电材料被印刷到包装材料片上。印刷包装材料被形成到包装容器中。
在图17的示例中，基板材料是卡片纸料1720，天线材料被印刷到所述卡片纸料上，诸如通过使用多射流融合工艺1710。在图17的实施方案中，印刷卡片纸料是瓦楞状的，并且最终结构的层在过程1730中组装，诸如通过胶合。过程1730示出了第一衬垫1731、瓦楞辊1732、涂胶器1733、压力辊1734、加热辊1735和第二衬垫1736。第一衬垫1731对应于图12B的中间层1233，并且第二衬垫1736可以是图12B的第一层1231或第二层1232。添加另一衬垫(未示出)以形成图12B的另一衬垫(第二层1232或第一层1231)。
在一般实施方案中，印刷包装材料可以包括多个层，其中组装层可以具有影响天线谐振频率的尺寸和材料性质，诸如通过形成谐振腔。所得包装1740是3D能量采集装置(或者发射和/或接收装置)，诸如图17所示的瓦楞纸板容器。在各种实施方案中，由于有较大区域可用，可以使用平面天线，或者可以依据应用使用多层(3D)装置。
在一些实施方案中，上面印刷天线的基板在室温下在其自然状态下是柔性的，诸如呈薄片或薄膜形式的纸基或塑料基基板。在一些实施方案中，基板可以在一种状态(诸如玻璃或塑料材料的加热状态)下形成为所需的3D几何形状，但是基板在室温下变得固化并且不可弯曲。在各种实施方案中，基板可以是一次性且/或可生物降解的低成本材料，以供在诸如包装、标签、票券和身份证等应用中使用。纸或塑料基板可以在这些低成本应用中特别有用。
图18是用于制造频率选择性天线系统的示例方法的流程图1800，所述频率选择性天线系统可以是(例如)能量采集系统。在步骤1810中，提供基板。基板可以是单层材料或具有3D结构的多层材料。步骤1820包括使用导电油墨在基板上印刷天线，所述天线包括形成连续路径的多个腿元件。所述多个腿元件中的每一者可单独选定或可单独取消选定以改变天线的谐振频率，并且所选定的腿元件创建对应于谐振频率的天线路径长度。天线可以是印刷在基板材料的单个表面上的平面天线，或者可以是各种天线部件集成到基板层中的3D结构。可以使用材料调谐(例如，油墨中使用的导电材料的类型，和/或诸如磁导率、电容率和导电率等材料性质的修整)、可电子开关连接、印刷电介质元件、腿元件的尺寸(例如，锥形宽度)或这些的任何组合针对不同谐振频率阈值修整可选定/可取消选定的腿元件。在一些实施方案中，1820中的印刷可以包括使用电介质油墨印刷电介质部件。
对于腿元件可有源选定/可有源取消选定的实施方案，在步骤1830中，将电子电路耦合到天线。电子电路具有通往天线的腿元件的连接，使得腿元件可以被单独控制。电子电路可以搜索周围环境中的可用频率并且分析每个频率的功率水平。在一些实施方案中，电子电路可以基于哪个频率将是最强电力源来选择目标谐振频率。在其它实施方案中，电子电路可以根据由用户或与电子电路和天线相关联的装置指定为接收的波长来选择目标谐振频率。在天线是能量采集天线的实施方案中，所述方法还包括步骤1840，所述步骤涉及将能量存储部件耦合到天线。能量存储部件存储由天线接收的能量，并且可以是(例如)电池或电容器。在步骤1850中，将装置耦合到能量存储部件，使得装置可以由天线所采集的能量供电。
印刷油墨
各种类型的油墨可以用于印刷本发明的天线系统，包括常规的银或碳油墨。在一些实施方案中，用于印刷天线的油墨可以是碳(例如，石墨烯等)和金属的混合物以实现高导电性。在一些实施方案中，天线由可印刷的导电碳形成，所述导电碳包括由新颖微波等离子体和热裂解设备和方法制成的独特碳材料和碳材料复合物，诸如在题为“CarbonAllotropes”的第9,862,606号美国专利申请和题为“Seedless Particles with CarbonAllotropes”的第15/711,620号美国专利申请中所公开的碳材料；这两个专利申请都由本申请的受让人拥有并且特此全部以引用的方式并入本文中。印刷部件的各种实施方案的碳材料的类型包括但不限于多层富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯、硫基碳(例如，硫熔体扩散碳)和含金属的碳(例如，镍浸渍碳、含银纳米粒子的碳、含金属的石墨烯)。还可以使用结构化碳(诸如石墨烯和/或碳纳米洋葱)的混合物。可以在天线的腿元件当中使用一种以上类型的碳，以调谐材料性质并且因此调谐每个腿元件的谐振频率阈值。
在一些实施方案中，油墨包括可调谐的多层球形富勒烯及其混合形式，其中富勒烯具有可通过用于生产它们的裂解工艺参数(例如，热裂解或微波裂解)调谐的物理结构。虽然常规的碳墨可以是高导电性的，但是一些常规材料缺乏真正生产高增益、低成本、可印刷装置所必要的固有电容和电感性质。此外，通常在这些材料中发现的高水平杂质阻止了与用于以下用途的其它材料的一致掺杂或集成：1)有源地控制并调谐用于信号RF和功率RF的发射和接收的固有频率；2)实现在所需方向上将RF能量有源地引导到单个或多个装置的能力；3)将总增益增强到实用水平以便支持两个或更多个装置之间的通信和电力传输两者。在本发明实施方案中，可调谐碳可以被集成到广泛多种可应用的油墨配方中并且可以提供克服这些障碍的必要性能，同时被有效地印刷到广泛多种合适基板上。此外，这些碳材料和天线可以支持多模态功能。使用开关元件和/或时间调制，各种计划形式的RF的同时或多路传输和接收可以用于能量采集、信号传输或两者。在控制硬件的帮助下，除了信号解码之外，这些天线还可以支持基础载波或边带频率能量的实际采集。
在一些实施方案中，可印刷油墨是透明的，诸如用于在视觉显示部件上方的材料层中使用。
在一些实施方案中，电介质油墨可以用于印刷本发明天线系统中的电介质元件，如在本公开中早先描述。用于电介质油墨的电介质材料的示例包括但不限于无机电介质(例如，氧化铝、氧化钽和二氧化钛)和聚合物电介质(例如，聚四氟乙烯(PTFE)、高密度聚乙烯(HDPE)和聚碳酸酯)。
在一些实施方案中，磁性电介质(MD)油墨可以在本发明的天线系统中用于形成天线元件。磁性电介质油墨还可以用于形成基板与印刷天线之间的层，从而允许提高天线效率并小型化天线，并且用作去耦材料，使得天线可以在任何类型的基板上进行操作。材料中的天线小型化技术是基于材料的电磁参数对天线尺寸的影响。电波长λ与折射率值成反比，如下：
εr＝ε′-jε″，
μr＝μ′-jμ″。 (等式7)
在等式6中，c是光速并且fr是天线的谐振频率。等式7示出了电容率ε和磁导率μ各自具有实部(ε'和μ')和虚部(ε”和μ”)，虚部与频率有关。如等式6可见，材料性质可以针对给定谐振频率确定天线的大小。常规上，天线基板或覆盖层的高介电常数材料用于天线小型化。然而，增加基板材料的相对电容率会遭受窄带宽和低效率。这些缺点源自于电场保持在高电容率区域中并且不辐射的事实。高电容率介质中的低特性阻抗也导致阻抗匹配问题。
相反，与高介电常数材料上的天线相比，εr和μr大于1的MD材料能够减小天线尺寸并且具有更好的天线性能。根据已知研究，适当增加相对磁导率可以有效减小微带天线的尺寸。可以在小型化之后保持阻抗带宽。使用空腔模型，放置在有损MD材料上的贴片天线的辐射效率和带宽已经表明这些MD材料在减小天线尺寸方面是有效的。从这种技术看出，相对电容率对辐射效率和带宽具有负面影响，而相对磁导率对这两者具有正面影响。在MD材料上的各种天线设计已经表明可以在不损失天线的辐射效率和带宽的情况下减小天线尺寸。本发明实施方案可以通过独特地调谐特定配置的磁导率和电容率这些材料性质来在天线设计中进一步应用使用磁性电介质材料。例如，MD材料性质可以被调谐为针对天线腿元件具有特定谐振频率或者致使MD元件成为天线元件与基板之间的去耦层。
图19是来自用于多个测试样本的电阻(欧姆)的现有技术的曲线图1900，其中在不同纸张上使用导电涂层。测试了多个样本，如曲线图1900的X轴所指示。涂层直接印刷到涂层纸(曲线1910)、牛皮纸(曲线1920)、各种类型的瓦楞纸板(E形槽(曲线1930)、B形槽(曲线1940)和C形槽(曲线1950))和商业标签(曲线1960)上。这个曲线图1900示出了不同纸张上的相同导电涂层对电阻具有很大影响。根据先前提到的等式1，采集效率强烈取决于电阻。实验清楚地表明，较低电阻产生较好采集天线性能。通常，直接印刷到纸板上的材料会产生较高电阻。在本公开的一些实施方案中，使用某些油墨材料，特别是使用上述独特碳，解决了这个挑战。在一些实施方案中，用于天线材料的油墨可以被调谐以实现各种纸张类型的低电阻值。
调谐电路
在一些实施方案中，能量采集电路或装置或者整个电子装置的性能通过连续或以预定频率或间隔执行的能量采集优化过程来优化。此类调谐电路的软件和/或硬件部件监视或确定所采集能量的绝对输入能量水平(或从其生成的电功率水平)。软件和/或硬件部件还调整阻抗匹配部件、天线结构元件和负载元件以执行操作电压搜索来获得最高可用能量输入水平。例如，可以通过将天线元件脚、天线阻抗匹配元件、负载匹配元件或这些元件的任何组合切换进出系统电路继之以检查所存储的能量水平和/或耗尽率的指示符来执行对最高可用能量输入水平的输入/输出(I/O)控制搜索，如上文提到。接着选择产生最高能量输入水平的这些元件的配置以用于能量采集电路或装置以及整个电子装置的操作，直到能量采集优化过程被重复为止。虽然电子电路被描述用于能量采集，但是在其它实施方案中，电子电路可以搜索要接收的特定频率，例如由用户或电子电路相关联到的装置设计。
图20示出了电子电路2000的实施方案，其包括用于控制能量采集优化的电路和处理器。电子电路2000可以是(例如)微处理器。电子电路2000包括频率识别电路2010，其识别周围环境中的多个可用频率并且基于所述多个可用频率的功率水平来设置所需频率。电子电路2000还包括开关电路2020，其与天线2050中的腿元件的各个连接通信以选定或取消选定所述多个腿元件。因此，电子电路2000接通且/或断开(即，电短路或者串联或并联连接在一起)不同天线腿元件和不同阻抗匹配或负载匹配元件2030，所述元件还可以存在于电子电路2000中。以此方式，在能量采集优化过程下进行操作的软件和/或硬件部件为天线腿元件生成一系列不同连接配置。电子电路2000还可以控制阻抗匹配元件和负载，并且为每个配置确定采集能量的绝对输入能量水平。在天线2050是能量采集天线的实施方案中，系统还包括能量存储部件2060，其可以用于存储天线2050所接收的能量。能量存储部件2060可以是(例如)电池或电容器。能量存储部件2060连接到由天线2050所采集的能量供电的装置2070。
针对不同配置接通且/或断开这些天线腿元件和阻抗匹配元件实现了不同的带宽和频率接收，如图21的示例曲线图2100所示，其中实线2110和虚线2120示出了用于不同最大能量采集情况的两个示例配置的结果。接着为能量采集电路或装置以及正被供电的整个电子装置的操作选择针对给定能量采集情况产生最高能量输入水平的配置。连续地或周期性地重复能量采集优化过程，因为能量采集情况可能由于周围环境中的可用频率的变化或天线的物理取向的变化而在任何时刻发生变化。
能量采集优化过程是有益的，因为待使用能量采集电路或装置的环境通常是未知的并且可能改变。因此，可用EM辐射的频率是未知的。处于任何适当EM频率的EM辐射可以存在于环境中。相同环境中常用的两种频率是915MHz和2.45GHz，但还可以存在许多其它频率信号。然而，事先不知道哪个频率将具有最高振幅或功率水平的信号，并且因此将是能量采集的最佳候选者。例如，在第一时间周期处，处于第一频率的第一信号可以以非常高的振幅或功率水平存在，而处于第二频率的第二信号可以具有低得多的振幅或功率水平，使得只有第一信号可用于能量采集电路或装置。然而，在第二时间周期处，第二信号可以以较高的振幅或功率水平存在，而第一信号具有较低的振幅或功率水平，使得只有第二信号可用于能量采集电路或装置。在又一个时间处，两个信号都可以以可用的振幅或功率水平存在。换句话说，在不同时间处，处于一个或多个频率的一个或多个信号的不同组合可以以可用的振幅或功率水平存在于环境中。
由于可用信号频率将未知的事实，在任何给定环境中或在任何给定时间处获得最大能量采集能力所需的适当天线配置也可能未知，因为每个天线通常被调谐为仅接收特定频率或频带的信号。类似地，电连接到天线的相关联电路的适当阻抗(阻抗匹配所需要的)也是未知的。因此，能量采集优化过程使得能量采集电路或装置和/或整个电子装置的相关联电子电路能够以不同组合或配置接通和断开各种天线元件和阻抗匹配元件，从而调谐整个天线以最佳地接收环境中的所有(或几乎所有、大多数或很大一部分)可用信号频率，使得针对任何给定情况或环境最大化或优化可用能量采集(或从其生成电能)。
能量优化特别适用于IC装置集成实施方案，其中用于能量采集电路或装置的电子器件与各种逻辑装置(例如，智能微处理器或ASIC装置)集成在同一IC裸片以及同一平台封装中。用于能量采集电路或装置的电子器件通常包括但不限于阻抗匹配电路、整流电路、调节电路和电荷调节电路(例如，用于存储装置，诸如电容器或电池)等等。用于各种逻辑装置的电子器件通常包括但不限于中央处理单元(CPU)、协处理器、ASIC、精简指令集计算(RISC)处理器、高级RISC机器(TM)(ARM)处理器以及用于执行智能功能的低级逻辑等等。用于各种逻辑装置的电子器件通常还可以包括通信部件，例如，根据蓝牙低能量(BLE)标准、近场通信(NFC)协议、ZIGBEE规范、WIFI标准、WIMAX标准等。
已经详细参考了所公开发明的实施方案，其一个或多个示例已经在附图中示出。每个示例都是以解释本技术的方式来提供的，而不是作为对本技术的限制。事实上，尽管已经相对于本发明的特定实施方案详细描述了本说明书，但是将理解，本领域的技术人员在理解前述内容后可以容易地想到这些实施方案的更改、变化和等同物。例如，作为一个实施方案的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施方案一起使用以产生又一个实施方案。因此，希望本主题涵盖所附权利要求书及其等同物范围内的所有此类修改和变化。在不脱离本发明的范围的情况下，本领域的普通技术人员可以对本发明做出这些和其它修改和变化，本发明的范围在所附权利要求书中更明确地阐述。此外，本领域的普通技术人员将了解，前述描述仅是示例性的，而不希望限制本发明。

Claims (20)

1.一种天线系统，其包括：
基板；以及
位于所述基板上的天线，所述天线包括多个腿元件，其中所述多个腿元件包括导电油墨并形成连续路径；
其中所述多个腿元件中的至少一者可单独选定或可单独取消选定以改变所述天线的谐振频率，并且被选定的腿元件创建对应于所述谐振频率的天线路径长度。
2.根据权利要求1所述的系统，其中通过由于所述多个腿元件中的被取消选定的腿元件不活动而减小所述天线路径长度来改变所述谐振频率。
3.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述多个腿元件中的第一腿元件具有取决于接收频率的第一谐振频率阈值；并且
当所述接收频率高于所述第一频率阈值时，通过不活动来从所述天线路径长度无源地取消选定所述第一腿元件。
4.根据权利要求3所述的系统，其中：
所述多个腿元件中的第二腿元件具有取决于所述接收频率的第二谐振频率阈值，所述第二谐振频率阈值高于所述第一谐振频率阈值；并且
当所述接收频率低于所述第二谐振频率阈值时，通过谐振来无源地选定所述第二腿元件。
5.根据权利要求4所述的系统，其中当所述接收频率高于所述第二谐振频率阈值时，除了所述第一腿元件之外，还无源地取消选定所述第二腿元件，从而减小所述天线路径长度。
6.根据权利要求4所述的系统，其中：
所述第一谐振频率阈值是基于所述第一腿元件的第一电阻抗；
所述第二谐振频率阈值是基于所述第二腿元件的第二电阻抗，所述第二电阻抗由于材料性质的差异而不同于所述第一电阻抗；并且
所述材料性质选自：磁导率、电容率和导电率。
7.根据权利要求1所述的系统，其还包括位于所述多个腿元件中的两个腿元件之间的印刷电介质元件。
8.根据权利要求1所述的系统，其还包括电子电路，所述电子电路具有通往所述多个腿元件中的每一者的连接；
其中所述电子电路被配置为通过将所述多个腿元件中的第一腿元件短路到所述多个腿元件中的第二腿元件来有源地取消选定所述第一腿元件。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述电子电路包括：
识别电路，其识别周围环境中的多个可用频率并且基于所述多个可用频率的功率水平来设置所述谐振频率；以及
开关电路，其与所述连接通信以通过选定或取消选定所述多个腿元件中的腿元件来调整所述天线路径长度以对应于所述谐振频率。
10.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述基板包括第一层、堆叠在所述第一层上的第二层以及位于所述第一层与所述第二层之间的间隙中的中间层；
所述多个腿元件位于所述第一层上，所述多个腿元件形成所述天线的第一天线臂；并且
所述天线还包括：
位于所述第二层上的第二天线臂；以及
位于所述中间层上的导体，所述导体将所述第二天线臂电耦合到所述多个腿元件。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述基板是纸板，并且所述中间层是瓦楞原纸。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一层与第二层之间的所述间隙充当所述第一天线臂与所述第二天线臂之间的电介质。
13.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述导电油墨是碳基的；并且
所述基板包括纸。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述天线是能量采集器。
15.一种能量采集系统，其包括：
A)天线系统，其包括：
基板；以及
位于所述基板上的天线，所述天线包括多个腿元件，其中所述多个腿元件包括碳基导电油墨并形成连续路径；
其中所述多个腿元件中的每一者可单独选定或可单独取消选定以改变所述天线的谐振频率，并且被选定的腿元件创建对应于所述谐振频率的天线路径长度；以及
B)电子电路，其具有通往所述多个腿元件中的每一者的连接；
其中所述电子电路被配置为通过将所述多个腿元件中的第一腿元件短路到所述多个腿元件中的第二腿元件来有源地取消选定所述第一腿元件。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述电子电路包括：
识别电路，其识别周围环境中的多个可用频率并且基于所述多个可用频率的功率水平来设置所述谐振频率；以及
开关电路，其与所述连接通信以通过选定或取消选定所述多个腿元件中的腿元件来调整所述天线路径长度以对应于所述谐振频率。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述识别电路包括微处理器，所述微处理器将所述谐振频率设置为所述多个可用频率中的具有最高功率水平的频率。
18.根据权利要求15所述的系统，其中：
所述基板包括第一层、堆叠在所述第一层上的第二层以及位于所述第一层与所述第二层之间的间隙中的中间层；
所述多个腿元件位于所述第一层上，所述多个腿元件形成所述天线的第一天线臂；并且
所述天线还包括：
位于所述第二层上的第二天线臂；以及
位于所述中间层上的导体，所述导体将所述第二天线臂电耦合到所述多个腿元件。
19.一种天线系统，其包括：
基板；以及
位于所述基板上的天线，所述天线包括多个腿元件，所述多个腿元件包括导电油墨并形成连续路径；其中：
所述多个腿元件中的第一腿元件具有取决于接收频率和所述第一腿元件的第一电阻抗的第一谐振频率阈值；
所述第一电阻抗是基于选自以下各项的材料性质：磁导率、电容率和导电率；并且
所述第一腿元件可单独取消选定以通过改变天线路径长度来改变所述天线的谐振频率，其中当所述接收频率高于所述第一频率阈值时，通过不活动来从所述天线路径长度无源地取消选定所述第一腿元件。
20.根据权利要求19所述的系统，其中：
所述多个腿元件中的第二腿元件具有第二谐振频率阈值，所述第二谐振频率阈值取决于所述接收频率和所述第二腿元件的第二电阻抗；
所述第二谐振频率阈值由于与所述第一腿元件相比的所述材料性质的差异而高于所述第一谐振频率阈值；并且
当所述接收频率低于所述第二谐振频率阈值时，通过谐振来无源地选定所述第二腿元件。
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