CN111048890B - 用于无线能量采集的天线阵列及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及一种用于无线能量采集的天线阵列，包括：第一阵列天线层和设置为被所述第一阵列天线层包围的第二阵列天线层，所述第一阵列天线层上设置有多个关联第一谐振频率的第一天线单元，所述第二阵列天线层上设置有多个关联第二谐振频率的第二天线单元，所述第一谐振频率与所述第二谐振频率不同。本公开的实施例以层叠设置的形式，在提高电磁波能量采集的效率的同时能够减小天线阵列的体积。

Description

用于无线能量采集的天线阵列及其制造方法
技术领域
本发明涉及无线能量采集技术领域，具体涉及一种采集射频电磁波的立体结构的多层多极化天线阵列。
背景技术
射频无线能量采集技术已经被提出并发展了数十年。这一技术面临的一个主要问题是，普通环境中的射频无线能量通常都很弱，而较弱的能量又往往会限制能量采集的效率。因此，提高无线能量采集系统的效率就显得尤为重要。
为解决在低辐射强度的无线射频环境中能量采集效率较低这一问题，可以同时采集多个射频频段的电磁波能量并进行汇集，也可以利用多个天线采集同一个射频频段的电磁波能量。然而现有的解决方案在性能、效率和体积方面存在缺陷并亟需改进。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提出了一种用于无线能量采集的天线阵列。
根据本公开的第一方面，提供了一种用于无线能量采集的天线阵列，包括：第一阵列天线层和设置为被该第一阵列天线层包围的第二阵列天线层，该第一阵列天线层上设置有多个关联第一谐振频段的第一天线单元，该第二阵列天线层上设置有多个关联第二谐振频段的第二天线单元，该第一谐振频段与该第二谐振频段不同。
通过本公开的实施例，可以以层叠的方式布置多个天线层。由于能够在不同层的天线层上布置采集不同射频频段的天线单元，实现了较小的体积和有效采集多频段能量的兼顾。
在一些实施例中，该第一阵列天线层上还可以设置有多个关联第三谐振频段的第三天线单元，该第一谐振频段与该第三谐振频段不同。优选地，该第二谐振频段高于该第一谐振频段和该第三谐振频段。将采集更高频率的天线单元布置在内层能够使得在采集效率不受到负面影响的情况下减小天线阵列的总体积。
在一些实施例中，该第一阵列天线层和该第二阵列天线层均可以被构造成多面体。在每一面上均可以布置一个或多个采集相同或不同频段的天线单元。优选地，该第一阵列天线层和该第二阵列天线层均被构造成具有6个表面的立方体。应当理解，也可以采用少于6个或多于6个的表面，较多的表面能够实现电磁波极化方向的最大利用从而能够更好地接收不同来波方向的电磁波，较少的面能够实现较低的制造成本。
在一些实施例中，该第一天线单元、该第二天线单元和该第三天线单元中的每一个均可以包括两个极化方向正交的辐射器。优选地，第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元中的至少一个由两个相互垂直设置的电偶极子组成。优选地，第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元中的至少一个由一个电偶极子和一个磁偶极子组成。更优选地，电偶极子所在平面与磁偶极子的轴向垂直。
在一些实施例中，在该第二阵列天线层内还可以包括第三阵列天线层，该第三阵列天线层上设置有多个关联第四谐振频段的第四天线单元。优选地，在该第三阵列天线层内还包括第四阵列天线层，该第四阵列天线层上设置有多个关联第五谐振频段的第五天线单元。更优选地，在该第四阵列天线层内还包括第五阵列天线层，该第五阵列天线层上设置有多个关联第六谐振频段的第六天线单元。
在本公开的第二方面，提供了一种制造用于无线能量采集的天线阵列的方法。该方法包括：提供第一阵列天线层；和提供第二阵列天线层，该第二阵列天线层被该第一阵列天线层包围，该第一阵列天线层上设置有多个关联第一谐振频段的第一天线单元，该第二阵列天线层上设置有多个关联第二谐振频段的第二天线单元，该第一谐振频段与该第二谐振频段不同。
在一些实施例中，制造用于无线能量采集的天线阵列的方法还可以包括：提供在该第二阵列天线层内的第三阵列天线层，该第三阵列天线层上设置有多个关联第四谐振频段的第四天线单元；提供在该第三阵列天线层内的第四阵列天线层，该第四阵列天线层上设置有多个关联第五谐振频段的第五天线单元；和提供在该第四阵列天线层内的第五阵列天线层，该第五阵列天线层上设置有多个关联第六谐振频段的第六天线单元。
本公开的实施例带来的优点通常在于：以层叠设置的形式，在提高电磁波能量采集的效率的同时能够减小天线阵列的体积。在一方面，利用多个天线单元组成阵列，采集同一射频频段的电磁波能量；另一方面，还利用不同尺寸的天线单元采集不同射频频段的电磁波能量。在一些实施例中，通过将天线阵列设置在多面体的多个表面上，能够更好的接收不同来波方向的电磁波，最大化采集效率/效果。在一些实施例中，用于采集较高射频频段电磁波能量的天线单元组成的阵列天线层位于采集较低射频频段电磁波能量的天线单元组成的阵列天线层的内部，从而有效的减小了系统的体积。在一些实施例中，每个天线单元均由极化方向正交的辐射器组成，能够较好的减小由于电磁波极化不匹配带来的能量损耗。
附图说明
通过参照附图的以下详细描述，本公开实施例的上述和其他目的、特征和优点将变得更容易理解。在附图中，将以示例以及非限制性的方式对本公开的多个实施例进行说明，其中：
图1示出了根据本公开的实施例的用于无线能量采集的天线阵列的第一阵列天线层的示意图；
图2示出了根据本公开的实施例的用于无线能量采集的天线阵列的第二阵列天线层的示意图；
图3示出了根据本公开的另一实施例的天线阵列的剖视图；和
图4示出了根据本公开的实施例的制造用于无线能量采集的天线阵列的方法的流程图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
现在将参照附图中所示的各种示例性实施例对本公开的原理进行说明。应当理解，这些实施例的描述仅仅为了使得本领域的技术人员能够更好地理解并进一步实现本公开，而并不意在以任何方式限制本公开的范围。应当注意的是，在可行情况下可以在图中使用类似或相同的附图标记，并且类似或相同的附图标记可以表示类似或相同的功能。本领域的技术人员将容易地认识到，从下面的描述中，本文中所说明的结构和方法的替代实施例可以被采用而不脱离通过本文描述的本公开实施例的原理。
用语“包括”及其变体将被解读为表示“包括但不限于”的开放术语。除非上下文清楚地指示，否则用语“或”应理解为“和/或”。除此以外，用语“基于”或“根据”应理解为“至少部分地基于”或“至少部分地根据”。用语“一个实施例”和“实施例”应理解为“至少一个实施例”。用语“另一个实施例”应被解读为“至少一个其他实施例”。除非另有说明或限制，否则用语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦合”及其变体被广泛使用并且包括直接和间接安装、连接、支撑和耦合。此外，“连接”和“耦合”不仅限于物理或机械的连接或耦合。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
根据本公开的一个实施例，用于采集射频电磁波的立体结构的多层多极化天线阵列包括第一阵列天线层和第二阵列天线层。第二阵列天线层被设置在第一阵列天线层内或由第一阵列天线层包围。“包围”可以是指第一阵列天线层完全将第二阵列天线层包含在其中也可以是指部分将第二阵列天线层包含在其中。第一阵列天线层上设置有多个关联第一谐振频段的第一天线单元，第二阵列天线层上设置有多个关联与第一谐振频段不同的第二谐振频段的第二天线单元。“谐振频段”是指产生谐振的特定的频率段或某一具体频率值，本领域技术人员能够根据需要来构造天线单元以调节所采集电磁波频率的范围。“关联”是指天线单元被构造成采集特定的频率或频段的电磁波。以层叠设置的形式，可以包括多于两个阵列天线层，每层上可以分别设置多个天线单元，以采集不同频率的电磁波能量。每个阵列天线层可以是空心的多面体的形状，从而可以在其中包围更小的阵列天线层。每个多面体的由多个表面组成，每个表面上可以包括一个或多个天线单元，从而采集来自各个方向的电磁波。在另一些实施例中，每个阵列天线层也可以是空心的球体的形状。
图1和图2分别示出了根据本公开的一个实施例的用于无线能量采集的天线阵列的第一阵列天线层100和第二阵列天线层200的示意图。在下文中将结合图1和图2对该实施例进行说明。
在该实施例中，第一阵列天线层100和第二阵列天线层200都被构造成六面体或正方体的形状。然而，应当理解，这样的构造仅仅是本公开的一个示例，本领域技术人员能够领会，其他多面体也在本公开的保护范围内。对于第一阵列天线层100，六个表面中的每个表面上均包括多个第一天线单元110。由于在六个表面上均布置有天线单元，从而能够更好地接收不同来波方向的电磁波。第一天线单元110包括两个极化方向正交的辐射器。具体而言，第一天线单元110中的两个极化正交的辐射器是两个相互垂直设置的电偶极子111，形成如图1中所示的较小的十字形。天线单元由极化方向正交的辐射器组成能够有效地减小由于电磁波极化不匹配带来的能量损耗。然而，应当理解，天线单元的辐射器也可以不是正交或垂直设置的。在该示例中，所有第一天线单元110均被构造成同样的尺寸以采集相同的第一谐振频段。
在该实施例中，第一阵列天线层100还包括多个第三天线单元120。虽然图1中示出了每个表面仅具有一个第三天线单元120，然而每个表面可以具有多个第三天线单元120。第三天线单元120包括两个极化方向正交的辐射器。具体而言，第三天线单元120中的两个极化正交的辐射器是两个相互垂直设置的电偶极子121，形成如图1中所示的较大的十字形。在该示例中，所有第三天线单元120均被构造成同样的尺寸以采集相同的第三谐振频段。由于第三天线单元120的尺寸与第一天线单元110不同，因此在该示例中，第三天线单元120的谐振频段与第一天线单元110也不同。应当理解，第一阵列天线层100上可以设置有更多不同尺寸和/或类型的天线单元以针对更多的谐振频段，也可以设置有仅一种尺寸和/或类型的天线单元以针对唯一的谐振频段。
在该示例中，对于第二阵列天线层200，六个表面中的每个表面上均包括多个第二天线单元210。由于在六个表面上均布置有天线单元，从而能够更好地接收不同来波方向的电磁波。在该示例中，第二天线单元210中的每一个由一个第二电偶极子211和一个第二磁偶极子212组成，并且第二电偶极子211所在的平面与第二磁偶极子212的轴向垂直，如图2所示。电偶极子和磁偶极子按照图2中所示设置时，两者的极化方向正好正交，从而可以采集不同极化方向的来袭电磁波。然而，应当理解，第二电偶极子211所在的平面与第二磁偶极子212的轴向也可以不是垂直设置的。在该示例中，所有第二天线单元210均被构造成同样的尺寸以采集相同的第二谐振频段。应当理解，第二阵列天线层200上可以设置有更多不同尺寸和/或类型的天线单元以针对更多的谐振频率或频段，也可以设置有仅一种尺寸和/或类型的天线单元以针对唯一的谐振频率或频段。
在图2中，第一阵列天线层被半透明地显示，且第二阵列天线层200置于其中。虽然图1中的第一阵列天线层100仅包括两种不同尺寸的电偶极子与电偶极子互相垂直设置的天线单元，其也可以根据需要而包括一个或多个电偶极子与磁偶极子互相垂直设置的天线单元(例如第二天线单元210那样的天线单元)。类似地，虽然图2中的第二阵列天线层200仅包括一种尺寸的电偶极子与磁偶极子互相垂直设置的天线单元，其也可以根据需要而包括一个或多个电偶极子与电偶极子互相垂直设置的天线单元(例如第一天线单元110那样的天线单元)。
在该实施例中，在第二阵列天线层200上布置的天线单元用于采集较高频率的电磁波。用于采集较高射频频段电磁波能量的天线单元组成的阵列天线层位于采集较低射频频段电磁波能量的天线单元组成的阵列天线层的内部，从而有效的减小了系统的体积。
图3示出了根据本公开的另一实施例的天线阵列10的剖视图，该天线阵列10包括嵌套设置的五个阵列天线层。第一阵列天线层100和第二阵列天线层200及其上布置的天线单元与图1和图2所示的实施例一致。在第二阵列天线层200内还包括第三阵列天线层300，该第三阵列天线层300上设置有多个关联第四谐振频段的第四天线单元310。在第三阵列天线层300内还包括第四阵列天线层400，该第四阵列天线层400上设置有多个关联第五谐振频段的第五天线单元410。以此方式，可以在体积不变的条件下对更多频段/频率值的电磁波进行采集，例如，具有五层的天线阵列10的最外层是长宽高各50cm的正方体，其能够对DTV、GSM 1900、Wi-Fi、3G、GSM 850等标准的电磁波进行各个方向上的采集。
对于前述各实施例而言，每个阵列天线层的每个表面上的针对相同频段或频率值的多个天线单元均电耦合到相同的整流器。因而，存在多个整流器以针对不同的频段或频率值。也提供有电路板以用于整合多个整流器及其他电路。该电路板可以布置在嵌套设置的多个阵列天线层中最内部的阵列天线层以内或布置在多个阵列天线层的外部。每个阵列天线层的每个表面上不具有天线单元的区域对于电磁波是可穿透的。
根据本公开的实施例，提供了一种制造用于无线能量采集的天线阵列的方法600。如图4所示，该方法包括：提供601第一阵列天线层；和提供602第二阵列天线层，该第二阵列天线层被该第一阵列天线层包围，该第一阵列天线层上设置有多个关联第一谐振频段的第一天线单元，该第二阵列天线层上设置有多个关联第二谐振频段的第二天线单元，该第一谐振频段与该第二谐振频段不同。优选地，该方法还可以包括：提供603在该第二阵列天线层内的第三阵列天线层，该第三阵列天线层上设置有多个关联第四谐振频段的第四天线单元；提供604在该第三阵列天线层内的第四阵列天线层，该第四阵列天线层上设置有多个关联第五谐振频段的第五天线单元；和提供605在该第四阵列天线层内的第五阵列天线层，该第五阵列天线层上设置有多个关联第六谐振频段的第六天线单元。
根据本公开的各个实施例的装置具有诸多有益效果，例如：以层叠设置的形式，在提高电磁波能量采集的效率的同时能够减小天线阵列的体积。在一方面，利用多个天线单元组成阵列，采集同一射频频段的电磁波能量；另一方面，还利用不同尺寸的天线单元采集不同射频频段的电磁波能量。在一些实施例中，通过将天线阵列设置在多面体的多个表面上，能够更好的接收不同来波方向的电磁波，最大化采集效率/效果。在一些实施例中，用于采集较高射频频段电磁波能量的天线单元组成的阵列天线层位于采集较低射频频段电磁波能量的天线单元组成的阵列天线层的内部，从而有效的减小了系统的体积。在一些实施例中，每个天线单元均由极化方向正交的辐射器组成，能够较好的减小由于电磁波极化不匹配带来的能量损耗。
虽然在本申请中权利要求书已针对特征的特定组合而制定，但是应当理解，本公开的范围还包括本文所公开的明确或隐含或对其任何概括的任何新颖特征或特征的任何新颖的组合，不论它是否涉及目前所要求保护的任何权利要求中的相同方案。申请人据此告知，新的权利要求可以在本申请的审查过程中或由其衍生的任何进一步的申请中被制定成这些特征和/或这些特征的组合。

Claims (12)

1.一种用于无线能量采集的天线阵列，包括：第一阵列天线层(100)和设置为被所述第一阵列天线层包围的第二阵列天线层(200)，所述第一阵列天线层(100)上设置有多个关联第一谐振频段的第一天线单元(110)，所述第二阵列天线层(200)上设置有多个关联第二谐振频段的第二天线单元(210)，所述第一谐振频段与所述第二谐振频段不同，
其中在所述第二阵列天线层(200)内还包括第三阵列天线层(300)，所述第三阵列天线层(300)上设置有多个关联第四谐振频段的第四天线单元(310)，并且
其中在所述第三阵列天线层(300)内还包括第四阵列天线层(400)，所述第四阵列天线层(400)上设置有多个关联第五谐振频段的第五天线单元(410)。
2.根据权利要求1所述天线阵列，其中所述第一阵列天线层(100)上还设置有多个关联第三谐振频段的第三天线单元(120)，所述第一谐振频段与所述第三谐振频段不同。
3.根据权利要求2所述天线阵列，其中所述第二谐振频段高于所述第一谐振频段和所述第三谐振频段。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的天线阵列，其中所述第一阵列天线层(100)和所述第二阵列天线层(200)均被构造成多面体。
5.根据权利要求4所述的天线阵列，其中所述第一阵列天线层(100)和所述第二阵列天线层(200)均被构造成具有6个表面的立方体。
6.根据权利要求2或3中任一项所述的天线阵列，其中所述第一天线单元(110)、所述第二天线单元(210)和所述第三天线单元(120)中的每一个均包括两个极化方向正交的辐射器。
7.根据权利要求6所述的天线阵列，其中所述第一天线单元(110)、所述第二天线单元(210)和所述第三天线单元(120)中的至少一个由两个相互垂直设置的电偶极子组成。
8.根据权利要求6所述的天线阵列，其中所述第一天线单元(110)、所述第二天线单元(210)和所述第三天线单元(120)中的至少一个由一个电偶极子和一个磁偶极子组成。
9.根据权利要求8所述的天线阵列，其中所述电偶极子所在的平面与所述磁偶极子的轴向垂直。
10.根据权利要求1所述的天线阵列，其中在所述第四阵列天线层(400)内还包括第五阵列天线层(500)，所述第五阵列天线层(500)上设置有多个关联第六谐振频段的第六天线单元。
11.一种制造用于无线能量采集的天线阵列的方法，包括：
提供(601)第一阵列天线层(100)；
提供(602)第二阵列天线层(200)，所述第二阵列天线层(200)被所述第一阵列天线层包围，所述第一阵列天线层(100)上设置有多个关联第一谐振频段的第一天线单元(110)，所述第二阵列天线层(200)上设置有多个关联第二谐振频段的第二天线单元(210)，所述第一谐振频段与所述第二谐振频段不同；
提供(603)在所述第二阵列天线层(200)内的第三阵列天线层(300)，所述第三阵列天线层(300)上设置有多个关联第四谐振频段的第四天线单元(310)；和
提供(604)在所述第三阵列天线层(300)内的第四阵列天线层(400)，所述第四阵列天线层(400)上设置有多个关联第五谐振频段的第五天线单元(410)。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
提供(605)在所述第四阵列天线层(400)内的第五阵列天线层(500)，所述第五阵列天线层(500)上设置有多个关联第六谐振频段的第六天线单元。
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