CN112201945A - 柔性整流天线 - Google Patents
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Abstract
天线技术领域，尤其涉及柔性整流天线，包括：单极子天线，用于产生电磁波；人工磁导体反射面，用于对单极子天线输出电磁波的反射相位进行调制；所述单极子天线和人工磁导体反射面的导体材料采用多层石墨烯薄膜。本发明不但具有较好的柔韧稳定性，方便用户穿戴，还能够保持稳定的性能。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及柔性整流天线。
背景技术
近年来，无线传感网络(Wireless Sensor Networks，WSN)在许多领域得到应用，如灾害管理、基础设施、监控等。目前，电池仍然是传感器节点的主要电源，但随着传感网络分布的环境更广泛、更复杂，电池的维护和更换将成为一个非常棘手的问题。另外，随着微机电系统(Micro—Electro-Mechanical Systems，MEMS)及低功耗电子技术的发展，市场上出现了越来越多的小型、低能耗的手持移动设备。相应地，这些设备需要紧凑、低能耗和重量轻的能量供应方式。而过去十多年，电池在能量密度和体积方面的进步并不明显，限制了这些电子产品的使用范围。另外，电池本身寿命有限，也会造成环境污染。利用整流天线将环境中的微波能量对这些设备进行供电将为这些设备提供可持续的电能，并且也可避免废旧电池对环境的污染。
然而目前的整流天线都利用不易弯折的介质基板或者是无法弯折的介质基板，并且大都是采用柔韧性较差的金属作为导体，因此在实际应用中对低功耗电子设备进行供电时因无法很好的与设备共形而导致设备整体尺寸的增大，并且对可穿戴设备进行供电时，因其弯折性能较差而影响人们的正常行动。而柔性整流电路可选取柔性介质基板，柔韧性较好的导体进行设计从而具有良好的弯折性，可很好的为低功耗电子设备或者人体可穿戴电子设备进行供电。
现有技术中也有较好柔性的宽带整流天线，该天线能够实现较宽频段工作。但是该天线由于自身结构原因导致在设备表面工作时其性能受设备影响较大。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供的柔性整流天线，其不但具有较好的柔韧稳定性，方便用户穿戴，还能够保持稳定的性能。
本发明提供的柔性整流天线，包括：
单极子天线，用于产生电磁波；
人工磁导体反射面，用于对单极子天线输出电磁波的反射相位进行调制；
所述单极子天线和人工磁导体反射面的导体材料采用多层石墨烯薄膜。
进一步地，所述单极子天线和人工磁导体反射面之间由泡沫层隔开。
进一步地，还包括：
微波整流电路，用于对单极子天线接收的电磁波进行整流；
所述微波整流电路与单极子天线相连。
更进一步地，所述微波整流电路的导体材料采用多层石墨烯薄膜。
更进一步地，所述单极子天线、人工磁导体反射面和微波整流电路的介质基板采用PDMS膜。
更进一步地，所述微波整流电路，包括：
肖特基整流二极管，用于将单极子天线输出电磁波转换为直流电；
谐波终止网络，用于滤除肖特基整流二极管产生的谐波；
输出滤波器，用于抑制2.45GHz的电流通过负载；
匹配网络，用于将微波整流电路的输入阻抗进行匹配。
再进一步地，所述谐波终止网络由并联的第一微带线和第二微带线连接构成；
所述第一微带线的长度为λ/8；所述第二微带线的长度为λ/12；
所述谐波终止网络，具体用于将肖特基整流二极管产生的二次谐波和三次谐波滤除。
还进一步地，所述输出滤波器连接在谐波终止网络和负载之间，由第三微带线并联扇形枝节构成。
又进一步地，所述匹配网络连接在谐波终止网络和单极子天线之间，由第四微带线并联单枝节构成；
所述匹配网络将微波整流电路的输入阻抗进行匹配至50Ω。
再上述技术方案中，所述人工磁导体反射面由n个各向异性的人工磁导体单元构成，n≥4。
在本发明中，利用石墨烯导电薄膜作为导体，具有良好的柔韧性；并且利用人工磁导体反射面将单极子天线的背面辐射的电磁波进行零相位反射，可以很好的隔离接收天线以及设备或人体防止背面设备对天线的性能造成影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中单极子天线和人工磁导体反射面的俯视结构示意图；
图2为本发明实施例中单极子天线和人工磁导体反射面的侧视结构示意图；
图3为本发明实施例中微波整流电路的结构示意图；
图4为本发明实施例中人工磁导体反射面仿真结果示意图；
图5为本发明实施例中单极子天线和人工磁导体反射面的测试结果示意图；
图6为本发明实施例中微波整流电路的测试结果示意图；
图7为本发明实施例中微波整流电路转换效率及负载电压测试结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供的柔性整流天线，其特征在于，包括：
单极子天线1，用于产生电磁波；
人工磁导体反射面2，用于对单极子天线1输出电磁波的反射相位进行调制；
所述单极子天线1和人工磁导体反射面2的导体材料采用多层石墨烯薄膜。
石墨烯导电薄膜是一种具有良好导电性能的材料，其密度上仅为金属的1/5，拥有很轻的质量。这种导电薄膜具有很好的柔韧性，可进行反复的弯折不变形，并且较之于传统金属具有更好的亲肤性，更适宜与人体直接接触。
在本实施例中，利用石墨烯导电薄膜作为导体，具有良好的柔韧性；并且利用人工磁导体反射面2将单极子天线1的背面辐射的电磁波进行零相位反射，可以很好的隔离接收天线以及设备或人体防止背面设备对天线的性能造成影响。
所述人工磁导体反射面2由n个各向异性的人工磁导体单元构成，n≥4。
单极子天线1，采用分形结构，并以中心轴正对的方式放置在支撑层上方，用以产生可供人工磁导体反射面进行调制的电磁波。人工磁导体反射面2，由n个各向异性的人工磁导体单元构成，用于对电磁波的反射相位进行调制，n≥4。
如图4所示，利用CST软件仿真单极子天线1，使其工作在2.45GHz；仿真人工磁导体反射面2，使其反射相位在2.45GHz时为0。之后，将单极子天线1与人工磁导体反射面2进行联合仿真之后进行微调，使其工作在2.45GHz。
如图2所示，所述单极子天线1和人工磁导体反射面2之间由泡沫层3隔开。
在本实施例中，泡沫层3为泡沫双面胶，作用是将辐射体与人工磁导体隔开。
如图5所示，单极子天线1和人工磁导体反射面2的测试结果显示，在弯折以及在人体上工作时，接收天线的性能几乎保持不变。
如图3所示，本实施例所述柔性整流天线还包括：
微波整流电路4，用于对单极子天线1接收的电磁波进行整流；
所述微波整流电路4与单极子天线1相连。
在本实施例中，单极子天线1通过SMA接头连接在微波整流电路4的输入端口。将单极子天线1与微波整流电路4连接后，再进行测试，结果如图7所示。
所述微波整流电路3的导体材料采用多层石墨烯薄膜。
所述单极子天线1、人工磁导体反射面2和微波整流电路3的介质基板采用PDMS膜(聚二甲基硅氧烷薄膜)。
在本实施例中，采用PDMS膜作为介质基板，利用石墨烯导电薄膜作为导体，具有良好的柔韧性，并且利用人工磁导体反射面2将单极子天线的背面辐射的电磁波进行零相位反射，可以很好的隔离接收天线以及设备或人体防止背面设备对天线的性能造成影响。
如图3所示，所述微波整流电路4，包括：
肖特基整流二极管41，用于将单极子天线1输出电磁波转换为直流电；
谐波终止网络42，用于滤除肖特基整流二极管41产生的谐波；
输出滤波器43，用于抑制2 45GHz的电流通过负载；
匹配网络44，用于将微波整流电路4的输入阻抗进行匹配。
所述谐波终止网络42通过并联第一微带线421和第二微带线422构成；
所述第一微带线421的长度为λ/8；所述第二微带线422的长度为λ/12；
所述谐波终止网络42，具体用于将肖特基整流二极管41产生的二次谐波和三次谐波滤除。
所述输出滤波器43连接在谐波终止网络42和负载之间，由第三微带线431上并联扇形枝节432构成。
所述匹配网络44连接在谐波终止网络42和单极子天线1之间，由第四微带线441并联单枝节442构成；
所述匹配网络44将微波整流电路4的输入阻抗进行匹配至50Ω。
在本实施例中，肖特基二极管41将微波变为直流并传输至输出滤波器43；输出滤波器43采用扇形枝节432阻止2.45GHz电流通过负载；谐波终止网络42由并联λ/8以及λ/12长微带线组成，将肖特基二极管41产生的二次谐波以及三次谐波进行滤除，防止谐波通过天线再次辐射；匹配电路44利用单枝节442匹配网络将整流电路匹配至50Ω，且在实现匹配时尽量减少损耗。
如图6所示，通过ADS软件调整参数使其最优化。
在本实施例中，单极子天线1、人工磁导体反射面2以及微波整流电路4中的导体材料均采用石墨烯导电薄膜，用以提供良好的耐弯折特性和更轻的质量。
单极子天线1、人工磁导体反射面2以及微波整流电路4中的介质板均采用PDMS膜，用以提供整流天线的耐弯折性。
在现有技术中，设计2.45GHz整流天线使用板材为Rogers系列高频板材或者FR4常规板材，两者柔韧性都较差，并且使用铜作为导体，铜的弯折稳定性较差。将本实施例中的整流天线与利用Rogers 5880以及铜箔制作的整流天线进行弯折20次比较，铜箔发生了明显的断裂，而石墨烯完好如初。
如图4至7，本实施例在人体上进行测试，测试结果显示可以很好的在人体表面进行工作。
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本发明，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种柔性整流天线，其特征在于，包括：
单极子天线(1)，用于产生电磁波；
人工磁导体反射面(2)，用于对单极子天线(1)输出电磁波的反射相位进行调制；
所述单极子天线(1)和人工磁导体反射面(2)的导体材料采用多层石墨烯薄膜。
2.根据权利要求1所述的柔性整流天线，其特征在于，所述单极子天线(1)和人工磁导体反射面(2)之间由泡沫层(3)隔开。
3.根据权利要求1所述的柔性整流天线，其特征在于，还包括：
微波整流电路(4)，用于对单极子天线(1)接收的电磁波进行整流；
所述微波整流电路(4)与单极子天线(1)相连。
4.根据权利要求3所述的柔性整流天线，其特征在于，所述微波整流电路(3)的导体材料采用多层石墨烯薄膜。
5.根据权利要求3所述的柔性整流天线，其特征在于，所述单极子天线(1)、人工磁导体反射面(2)和微波整流电路(3)的介质基板采用PDMS膜。
6.根据权利要求3所述的柔性整流天线，其特征在于，所述微波整流电路(4)，包括：
肖特基整流二极管(41)，用于将单极子天线(1)输出电磁波转换为直流电；
谐波终止网络(42)，用于滤除肖特基整流二极管(41)产生的谐波；
输出滤波器(43)，用于抑制2.45GHz的电流通过负载；
匹配网络(44)，用于将微波整流电路(4)的输入阻抗进行匹配。
7.根据权利要求6所述的柔性整流天线，其特征在于，所述谐波终止网络(42)由并联的第一微带线(421)和第二微带线(422)连接构成；
所述第一微带线(421)的长度为λ/8；所述第二微带线(422)的长度为λ/12；
所述谐波终止网络(42)，具体用于将肖特基整流二极管(41)产生的二次谐波和三次谐波滤除。
8.根据权利要求7所述的柔性整流天线，其特征在于，所述输出滤波器(43)连接在谐波终止网络(42)和负载之间，由第三微带线(431)并联扇形枝节(432)构成。
9.根据权利要求8所述的柔性整流天线，其特征在于，所述匹配网络(44)连接在谐波终止网络(42)和单极子天线(1)之间，由第四微带线(441)并联单枝节(442)构成；
所述匹配网络(44)将微波整流电路(4)的输入阻抗进行匹配至50Ω。
10.根据权利要求1所述的柔性整流天线，其特征在于，所述人工磁导体反射面(2)由n个各向异性的人工磁导体单元构成，n≥4。
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