CN111786094A - 一种基于压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线 - Google Patents

一种基于压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线，包括太阳能薄膜(1)以及压电薄膜(2)构成的介质基板，位于介质基板上方中部的天线贴片(3)、位于介质基板上表面一侧的接地板(4)，所述天线贴片(3)的阻抗传输线朝向接地板(4)一侧，且穿过相邻两个接地板(4)之间；所述介质基板通过压电材料的压电效应收集振动能量，所述介质基板通过太阳能薄膜收集光能。本发明的基于压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线可收集射频、振动以及光能，具有结构紧凑、高增益以及有利于一体化能量收集等优点。

Description

一种基于压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线
技术领域
本发明涉及能量收集领域，特别涉及一种应用于收集射频、振动以及光能的天线。
背景技术
在5G通信的大时代背景下，物联网以及半导体芯片技术异军突起，越来越多的小型化、低功耗无线传感器件不断涌现，在各行各业中发挥着至关重要的作用。在穿戴设备、水产养殖、航空航天等领域，许多监测系统中已植入无线传感器件用于收发信号，从而对异常状况进行判定与反馈。这些传感器技术无论从理论上还是实际应用上都处于比较先进的水平，而与之相对应的自身能源供应技术却相对滞后，绝大部分传感器依靠的仍然是传统的化学电池。由于传统电池储存电量有限且化学污染较重，后续频繁地更换以及维护操作无疑会增加整个传感网络的成本。在一些穿戴设备以及植入人体的医疗设备中，更换电池甚至会伴随着很高的风险。为了解决这些低功耗传感器件的能源供给问题，迫切需要一种绿色环保的新型供电方案，在这样的严峻背景下，能量收集的理念应运而生。
能量收集技术是指通过采集环境中广泛分布的微弱能量，如风能、太阳能、振动能、电磁能等，并将其转化为直流电信号进行存储与供应的技术。在现有的能量收集技术中，太阳能电池收集到的能量密度较高，但苛刻的时间与光照条件让其输出十分受限。反观能量密度次高的压电材料，就输出条件而言，环境中无处不在的机械振动随时可以提供能量来源；就便携性而言，压电材料质量轻、体积小，可制成穿戴式结构随身携带。不过，由于环境多样性带来的影响，单一的环境能量往往不能满足持续稳定输出的供电要求，考虑同时收集两种或多种能量逐渐成为该领域发展的趋势。
目前，国内外对于天线的研究绝大多数还是以FR4(环氧树脂板)、RT5880等微波介质为基板，但这类天线目的主要在于实现射频能量的收集，其通常不可弯曲，柔韧性差。国内对能量收集天线的研究更是明显滞后很多。近几年，能量收集天线的表现出了巨大潜力，对其研究增加了更多的精力。
随着对压电薄膜材料的研究，以压电薄膜为基底的天线开始得到研究者的关注，由于其具有很高的介电常数、可收集振动能量以及可作为天线介质的特性很适合混合能量收集天线领域。圆形天线具有频带宽、增益高等优点，在微带天线领域得到了广泛的应用。
发明内容
技术问题：为了克服现有能量收集天线收集能量单一、微弱的缺点与不足，本文发明了一种基于压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线。该天线可收集射频、振动以及光能。
本发明的技术方案为：一种基于压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线，该天线用于收集环境中的射频、振动以及光能；包括太阳能薄膜(1)以及压电薄膜(2)构成的介质基板，位于介质基板上方中部的天线贴片(3)、位于介质基板上表面一侧的接地板(4)，所述天线贴片(3)的阻抗传输线朝向接地板(4)一侧，且穿过相邻两个接地板(4)之间；所述介质基板通过压电材料的压电效应收集振动能量，所述介质基板通过太阳能薄膜收集光能。
进一步，所述天线贴片(3)采用叠圆形贴片。
进一步，所述压电薄膜(2)采用了适用于天线介质的PVDF，介电常数9.5。
进一步，所述太阳能薄膜(1)采用了适用于天线介质的非晶硅太阳能薄膜，介电常数11.5。
进一步，所述天线采用了共面波导馈电结构，天线的中心频率为2.45GHz，回波损耗S11<-10dB，天线尺寸长宽为60mm×50mm。
进一步，所述太阳能薄膜(1)的厚度h2＝0.5mm，压电薄膜(2)的厚度h1＝0.1mm，叠圆形贴片的两个半径ra、rb分别为8.4mm和9mm,两个叠圆圆心间距hr为14mm,接地板(4)长L2为12mm、宽W2为28.35mm，天线的阻抗传输线宽W3＝1.1mm。
由于2.45GHz频段为世界各国共同的ISM频段，WiFi、Bluetooth、ZigBee等无线网络，其网络标准都选择工作在2.45GHz频段上。因此为了与工作于这个频段的无线网络设备更加便捷地互联，混合能量收集天线选择工作在此频段上。
经查阅文献介电常数的提高有利于天线尺寸的减小，于是用介电常数为11.5和9.5的太阳能薄膜和PVDF压电材料。
通过HFSS软件对天线尺寸优化进行优化，以满足S11≤-10dB的标准，天线覆盖2.45GHZ频段。最终得到叠圆形贴片的两个半径ra、rb分别为8.4mm和9mm,圆心距hr为14mm，地面的长L2为12mm、宽W2为28.35mm，天线的阻抗传输线宽W3＝1.1mm。介质基板厚度为0.6mm，宽W＝60mm,长L＝50mm。
与现有技术相比，本发明的优势体现在：
1、与传统的FR4介质基板天线相比，本发明混合能量收集天线采用太阳能薄膜和PVDF压电材料作为基板，可收集射频、振动以及光能。
2、随着混合能量收集设备日益小型化，天线的小型化技术也变得越来越重要，现在已经成为了我们研究的重点。在本发明中通过采用介电常数高的介质基板，进一步缩小了天线的尺寸。
附图说明
图1是本发明基于压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线的3维视图；
图2是本发明基于压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线的结构尺寸图；
图3是本发明基于压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线的回波损耗S11；
图4是本发明基于压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线在设计频率f＝2.45GHz下的E面和H面的方向图。
图5是本发明压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线立体图；
图中，1-太阳能薄膜；2-压电薄膜；3-天线贴片；4-接地板。
具体实施方式
如图1和图5所示，一种基于压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线，包括介质基板太阳能薄膜1、位于介质基板PVDF压电薄膜2上表面的叠圆形贴片3、位于介质基板上表面的接地板4。
本发明的基于压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线，具有结构紧凑、小型化以及有利于一体化能量收集等优点，为适应混合能量收集设备对天线的性能需求提供了一种可行性设计方案，为验证其工作性能，做如下仿真实验：
首先，提出天线性能参数需求：天线的中心频率为2.45GHz，回波损耗S11<-10dB。根据所需设计要求，提出了图1中的天线结构，图2展示了天线的结构尺寸。在天线结构中通过采用介电常数高的压电薄膜和太阳能薄膜作为天线的介质，从而减小天线的尺寸、也达到了收集射频、振动以及光能的目的。借助三维结构电磁仿真软件ANSYS HFSS对其进行建模与仿真。
在完成对本实施案例的混合能量收集天线的建模与端口激励设置后，对天线尺寸参数进行扫频分析，经优化后的到天线的尺寸参数如下：
介质板的宽50mm，长60mm，介质太阳能薄膜的厚度h2＝0.5mm，介质压电薄膜PVDF的厚度h1＝0.1mm。叠圆形贴片的两个半径ra、rb分别为8.4mm和9mm,两个叠圆圆心间距hr为14mm,接地板4的长L2为12mm、宽W2为28.35mm，天线的阻抗传输线宽W3＝1.1mm。对本实施案列的混合能量收集天线结构进行优化后其在2.45GHz的工作频率的回波损耗如图3所示，其值为-23.9dB。
如图4所示，其是本实施案列的柔性混合能量收集天线在E面和H面的增益方向图。从图中可以看出，天线的辐射方向是全向，最大增益为3.92dB。
本发明的一种基于压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线，该天线包括介质基板太阳能薄膜、位于介质基板PVDF压电薄膜上表面的叠圆辐射贴片、位于介质基板上表面的接地板。通过叠圆形贴片来提高天线的增益。不同于一般的天线，本发明的天线是以介电常数11.5为厚度为0.5mm的太阳能薄膜和介电常数9.5为厚度为0.1mm(PVDF)压电膜为介质设计的，从而做到可以同时收集环境中的RF能量、振动能量和光能，并且有效地减小了天线的尺寸，最终天线尺寸减小为50mm×60mm×0.6mm。天线贴片创新型的采用叠圆贴片，提高了天线的增益。通过HFSS对天线进行仿真，可得天线的频率带宽为1.9-3.1GHz。本发明的基于压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线可收集射频、振动以及光能，具有结构紧凑、高增益以及有利于一体化能量收集等优点。

Claims (6)

1.一种基于压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线，其特征在于，该天线用于收集环境中的射频、振动以及光能；包括太阳能薄膜(1)以及压电薄膜(2)构成的介质基板，位于介质基板上方中部的天线贴片(3)、位于介质基板上表面一侧的接地板(4)，所述天线贴片(3)的阻抗传输线朝向接地板(4)一侧，且穿过相邻两个接地板(4)之间；所述介质基板通过压电材料的压电效应收集振动能量，所述介质基板通过太阳能薄膜收集光能。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线贴片(3)采用叠圆形贴片。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述压电薄膜(2)采用了适用于天线介质的PVDF，介电常数9.5。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述太阳能薄膜(1)采用了适用于天线介质的非晶硅太阳能薄膜，介电常数11.5。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线采用了共面波导馈电结构，天线的中心频率为2.45GHz，回波损耗S11<-10dB，天线尺寸长宽为60mm×50mm。
6.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述太阳能薄膜(1)的厚度h2＝0.5mm，压电薄膜(2)的厚度h1＝0.1mm，叠圆形贴片的两个半径ra、rb分别为8.4mm和9mm,两个叠圆圆心间距hr为14mm,接地板(4)长L2为12mm、宽W2为28.35mm，天线的阻抗传输线宽W3＝1.1mm。
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