CN113036457B - 一种基于微波输能的柔性天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微波输能的柔性天线阵列，包括：介质基板、贴片阵列和等效接地板层；介质基板的一面与贴片阵列固定连接，其另一面与等效接地板层固定连接；本发明通过应用液态金属的打印技术以及柔性材料打印一款工作在2.45GHZ用于微波输能的液态金属天线。该液态金属贴片天线将充分发挥液态镓铟金属以及柔性介质基板可修复、柔性、可重构、抗疲劳、耐腐蚀等优势，应用在集成化小型电子设备中，实现电磁波的接收与发射，并应用于较远距离的能量无线传输，克服传统天线单位能量收集转换效率较低的缺点。

Description

一种基于微波输能的柔性天线阵列

技术领域

本发明涉及天线领域，具体涉及一种基于微波输能的柔性天线阵列。

背景技术

微波接收天线与整流电路是微波传能系统的重要组成部分，尤其作为接收端，较高的能量收集转换效率、方便快捷的敷设方式、易于与负载设备的结构共形以及具备一定自修复能力的新型接收天线对于微波输能的推广应用具有重要价值，其相对于传统的反射面天线、平面阵天线具有更强的灵活性，更是今后的必然发展趋势。

现有的传统贴片天线虽然体积较小，但存在天线装置难以共形、发生形变后无法保持性能稳定等问题，因此很大程度上限制了了传统天线的应用场景和应用价值。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于微波输能的柔性天线阵列解决了现有的传统贴片天线存在难以共形、发生形变后无法保持性能稳定的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于微波输能的柔性天线阵列，包括：介质基板、贴片阵列和等效接地板层；

所述介质基板的一面与贴片阵列固定连接，其另一面与等效接地板层固定连接。

进一步地，所述介质基板包括依次固定连接的第一PU层、第一压敏胶层、PEN层、第二压敏胶层和第二PU层；

所述第一PU层的厚度为20um；所述第一压敏胶层的厚度为10um；所述PEN层的厚度为75um；所述第二压敏胶层的厚度为10um；所述第二PU层的厚度为20um。

上述进一步方案的有益效果为：多层压制的基底材料主要由PU,PEN构成(压敏胶是粘合剂)PEN和PU高强、高模、热阻性能外，又具备优良的气体阻隔性、耐水性、耐放射性特点，是优良的柔性材料。整个基底材料不仅可以像金属一样为电场提供空腔，同时较金属基底有更良好的机械性能，抗弯折，易共形。

进一步地，所述贴片阵列包括：第一天线贴片、第二天线贴片、第三天线贴片、第四天线贴片、第一传输线、第二传输线、第三传输线、第四传输线、第五传输线、第六传输线、第七传输线、第八传输线、第九传输线、第十传输线、第十一传输线、第十二传输线、第十三传输线、第十四传输线、第十五传输线和第十六传输线；

所述第一天线贴片、第二天线贴片、第三天线贴片和第四天线贴片上均设有凹槽；所述第一传输线的一端嵌入第一天线贴片的凹槽内，并与第一天线贴片连接，其另一端与第五传输线的一端连接；所述第二传输线的一端嵌入第二天线贴片的凹槽内，并与第二天线贴片连接，其另一端与第六传输线的一端连接；所述第三传输线的一端嵌入第三天线贴片的凹槽内，并与第三天线贴片连接，其另一端与第七传输线的一端连接；所述第四传输线的一端嵌入第四天线贴片的凹槽内，并与第四天线贴片固定连接，其另一端与第八传输线的一端连接；所述第九传输线的一端与第五传输线的另一端连接，其另一端与第六传输线的另一端连接；所述第十传输线的一端与第八传输线的另一端连接，其另一端与第七传输线的另一端连接；所述第十五传输线的一端与第九传输线的几何中心位置连接，其另一端与第十一传输线的一端连接；所述第十六传输线的一端与第十传输线的几何中心位置连接，其另一端与第十一传输线的另一端连接；所述第十二传输线的一端与第十一传输线的几何中心位置连接，其另一端与第十三传输线的一端连接；所述第十三传输线的另一端与第十四传输线的一端连接。

213、第九传输线；214、第十传输线；215、第十一传输线；216、第十二传输线；217、第十三传输线；218、第十四传输线；219、第十五传输线；220、第十六传输线；301、导电柱

上述进一步方案的有益效果为：不同宽度的传输线可以视为不同阻抗的电阻，传输线的相交可以视为纯电阻的串并联。最简单的阻抗匹配网络为四分之一波长传输线，可以起到阻抗变换的作用使终端达到匹配但是改方法会对带宽产生极大的限制，而且在数量较多的阵元间难以实现。因此不同宽度的匹配网络是非常必要的。以T形网格(即第九传输线和第十五传输线构成的T形网格，第十传输线和第十六传输线构成的T形网格)为例，T形的出现是为了在阻抗匹配的同时简化阵列的结构，例如是1:2的阻抗转换，天线贴片末端与50欧姆匹配，经阻抗转换后为100欧姆，T形两段的传输线可以视为并联，并联之后阻值当然为50欧姆，整个天线阵列的匹配网络就是以50欧姆为标准持续下去，确保各个部分匹配。

进一步地，所述第一天线贴片、第二天线贴片、第三天线贴片和第四天线贴片的长宽均为32.8mm；

所述凹槽的长度为11mm，其宽度为1.8mm；所述第一传输线、第二传输线、第三传输线和第四传输线的长度均为19mm，其宽度均为0.8mm；所述第五传输线、第六传输线、第七传输线和第八传输线均为L型传输线；

所述L型传输线的线宽为5mm、长边长度为18mm和短边长度为10mm，其弯折处设有三段式外径倒角和三段式内径倒角；所述三段式外径倒角的轮廓区域为3×3mm，所述三段式内径倒角的轮廓区域为1×1mm；

所述第九传输线和第十传输线的长度均为40mm，其宽度均为3mm；所述第十五传输线和第十六传输线的长度均为15mm，其宽度均为5mm；所述第十一传输线的长度为38mm，其宽度为3mm；所述第十二传输线的长度为10mm，其宽度为3mm；所述第十三传输线的长度为24.4mm，其宽度为3mm；所述第十四传输线的长度为65.5mm，其宽度为3mm。

上述进一步方案的有益效果为：

1、金属贴片与环境中2.45GHZ的电磁波发生谐振进而产生电流实现能量的传输。因此贴片的尺寸直接决定了发生谐振的频率。边长为32.8mm正方形的贴片，使得微波能量透射程度大，反射程度小，同时保证谐振极点在2.45GHZ。

2、开槽会延长电流径，可以改善电测磁场的接受方向，同时使贴片阵元和传输线间获得较好的匹配，使得谐振极点(即S11最低点)的S11参数尽量小。

3、倒角在传输线的方向改变处，直角形的转角会导致多个寄生谐波的出现，因而弧形倒角可以较有效的抑制谐波的出现。确保2.45GHZ以为没有其他谐振极点。

4、各类传输线：(除材料外)传输线最核心的参数为宽和高。在高不变的前提下，不同宽度的传输线对能量的通过程度，各阵元间的匹配程度均不同，因此本申请用了不同宽度的传输线，并形成网络，使贴片间达到良好的匹配效果，同时使通带带宽尽可能大(当信号不稳定时也可以获得能量)。

进一步地，还包括馈电接口，所述馈电接口包括：导电柱、绝缘层和地线层；所述绝缘层为圆柱形，并设有贯穿上下底面的通孔；

所述导电柱的一端嵌入通孔中，与绝缘层固定连接；

所述地线层为铺铜层，所述铺铜层与导电柱外表面固定连接。

进一步地，所述导电柱的另一端嵌入介质基板，并与第十四传输线连接；

所述等效接地板层上在馈电接口处设有圆柱形通孔，所述绝缘层和地线层一端嵌入圆柱形通孔内；所述地线层与等效接地板层连接，所述绝缘层与介质基板连接。

综上，本发明的有益效果为：

1、该天线阵列应用于无线传能领域，具有高增益，高效率，可以应用于较远距离的微波无线输电。

2、该天线阵列介质基板由柔性材料制成，具有良好的机械性能，可以与负载较好的共形，做到了可伸缩、弯曲、扭转、变形而保持其性能稳定。

3、该贴片天线阵列由液态金属打印制得，可以承受较大程度的形变，具有良好的共形性以及一定的自适应性。

附图说明

图1为一种基于微波输能的柔性天线阵列的结构示意图；

图2为介质基板的结构示意图；

图3为天线贴片及与之连接的传输线的尺寸示意图；

图4为L型传输线的尺寸示意图；

图5为L型传输线拐角的尺寸示意图；

图6为第九传输线的尺寸示意图；

图7为第十一传输线的尺寸示意图；

图8为第十二传输线、第十三传输线和第十四传输线的尺寸示意图；

图9为馈电接口的结构示意图；

图10为馈电接口安装后的截面图；

其中，1、介质基板；2、贴片阵列；3、馈电接口；4、等效接地板层；201、第一天线贴片；202、第二天线贴片；203、第三天线贴片；204、第四天线贴片；205、第一传输线；206、第二传输线；207、第三传输线；208、第四传输线；209、第五传输线；210、第六传输线；211、第七传输线；212、第八传输线；213、第九传输线；214、第十传输线；215、第十一传输线；216、第十二传输线；217、第十三传输线；218、第十四传输线；219、第十五传输线；220、第十六传输线；301、导电柱；302、绝缘层；303、地线层；304、通孔。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例：

如图1所示，一种基于微波输能的柔性天线阵列，包括：介质基板1、贴片阵列2和等效接地板层4；

所述介质基板1的一面与贴片阵列2固定连接，其另一面与等效接地板层4固定连接。

所述介质基板1包括依次固定连接的第一PU层、第一压敏胶层、PEN层、第二压敏胶层和第二PU层；

所述第一PU层的厚度为20um；所述第一压敏胶层的厚度为10um；所述PEN层的厚度为75um；所述第二压敏胶层的厚度为10um；所述第二PU层的厚度为20um。

如图2所示，介质基板1由第一PU层、第一压敏胶层、PEN层、第二压敏胶层和第二PU层依次层叠压制而成，是一种具有良好机械性能的柔性材料，并以PEN层为中心呈对称分布。

贴片阵列2的材料为镓铟合金，通过液态金属打印技术打印到介质基板1上表面，用于接收环境中频率为2.45GHZ的电磁波。

等效接地板层4实质是一层很薄的铜，起到等效接地的作用，其长宽同介质基板1一致，厚度远小于介质基板1的厚度约等于贴片阵列2的厚度。

如图1所示，贴片阵列2包括：第一天线贴片201、第二天线贴片202、第三天线贴片203、第四天线贴片204、第一传输线205、第二传输线206、第三传输线207、第四传输线208、第五传输线209、第六传输线210、第七传输线211、第八传输线212、第九传输线213、第十传输线214、第十一传输线215、第十二传输线216、第十三传输线217、第十四传输线218、第十五传输线219和第十六传输线220；

所述第一天线贴片201、第二天线贴片202、第三天线贴片203和第四天线贴片204上均设有凹槽；所述第一传输线205的一端嵌入第一天线贴片201的凹槽内，并与第一天线贴片201连接，其另一端与第五传输线209的一端连接；所述第二传输线206的一端嵌入第二天线贴片202的凹槽内，并与第二天线贴片202连接，其另一端与第六传输线210的一端连接；所述第三传输线207的一端嵌入第三天线贴片203的凹槽内，并与第三天线贴片203连接，其另一端与第七传输线211的一端连接；所述第四传输线208的一端嵌入第四天线贴片204的凹槽内，并与第四天线贴片204固定连接，其另一端与第八传输线212的一端连接；所述第九传输线213的一端与第五传输线209的另一端连接，其另一端与第六传输线210的另一端连接；所述第十传输线214的一端与第八传输线212的另一端连接，其另一端与第七传输线211的另一端连接；所述第十五传输线219的一端与第九传输线213的几何中心位置连接，其另一端与第十一传输线215的一端连接；所述第十六传输线220的一端与第十传输线214的几何中心位置连接，其另一端与第十一传输线215的另一端连接；所述第十二传输线216的一端与第十一传输线215的几何中心位置连接，其另一端与第十三传输线217的一端连接；所述第十三传输线217的另一端与第十四传输线218的一端连接。

单个天线贴片由矩形金属贴片开槽得到，此外在开槽处引出一条传输线来构成阻抗匹配网络。

贴片天线阵列是以单个天线贴片为基础进一步整合得到的，本贴片天线阵列由四个单个天线贴片组成，各个独立的天线贴片通过不同宽度的传输线连接形成贴片天线阵列并与馈电接口3连接不。同宽度的传输线均可视为阻抗匹配网络，其目的是使各个阵元间达到匹配，同时连接贴片天线阵列与馈电接口3。此外在L型传输线方向改变的地方设置了倒角，以抑制寄生谐波的生成。

如图2～8所示，第一天线贴片201、第二天线贴片202、第三天线贴片203和第四天线贴片204的长宽均为32.8mm；

凹槽的长度为11mm，其宽度为1.8mm；所述第一传输线205、第二传输线206、第三传输线207和第四传输线208的长度均为19mm，其宽度均为0.8mm；所述第五传输线209、第六传输线210、第七传输线211和第八传输线212均为L型传输线；

所述L型传输线的线宽为5mm、长边长度为18mm和短边长度为10mm，其弯折处设有三段式外径倒角和三段式内径倒角；所述三段式外径倒角的轮廓区域为3×3mm，所述三段式内径倒角的轮廓区域为1×1mm；

所述第九传输线213和第十传输线214的长度均为40mm，其宽度均为3mm；所述第十五传输线219和第十六传输线220的长度均为15mm，其宽度均为5mm；所述第十一传输线215的长度为38mm，其宽度为3mm；所述第十二传输线216的长度为10mm，其宽度为3mm；所述第十三传输线217的长度为24.4mm，其宽度为3mm；所述第十四传输线218的长度为65.5mm，其宽度为3mm。

如图9所示，本天线阵列还包括馈电接口3，所述馈电接口3包括：导电柱301、绝缘层302和地线层303；所述绝缘层302为圆柱形，并设有贯穿上下底面的通孔304；所述导电柱301的一端嵌入通孔304中，与绝缘层302固定连接；所述地线层303为铺铜层，所述铺铜层与导电柱301外表面固定连接。

所述导电柱301的另一端嵌入介质基板1，并与第十四传输线218连接；

所述等效接地板层4上在馈电接口3处设有圆柱形通孔，所述绝缘层302和地线层303一端嵌入圆柱形通孔内；所述地线层303与等效接地板层4连接，所述绝缘层302与介质基板1连接。

如图10所示，导电柱301是一小段铜制的圆柱体，一端嵌入圆柱形绝缘层302，另一端嵌入介质基板1，圆柱形绝缘层302和地线层303与介质基板1接触处等效接地板层4上的铜皮是去掉的，使得绝缘层302直接与介质基板1接触，起到绝缘作用，地线层303与等效接地板层4接触，使地线层303接地，可视为地线层303和等效接地板层4为一体，贴片阵列2相当于正极，等效接地板层4相当于负极，馈电接口3为后续负载供电，贴片阵列2的能量通过传输线传到馈电接口3，由馈电接口3同下一级结构多为整流电路级联将获得的微波能量传到下一级。

绝缘层302为绝缘材质特氟龙制成的一段圆环柱，其长度比导电柱301短，包裹着导电柱301的一端。

在贴片阵列2中，四个矩形贴片同环境中2.45GHZ的电磁波发生谐振产生电场能量，通过对单个贴片前端开槽使天线工作频率稳定在2.45GHZ，同时用传输线来传输能量。之所以选择三种宽度的传输线是为了使各单个贴片天线之间达到阻抗匹配同时减少能量在传输线上的损耗，使更多的能量传向后端负载。因为天线的材料是液态镓铟合金，因此该贴片天线阵列具有一定液体的特征，较传统金属贴片天线阵列有很大优势。液态金属的流动可以保证天线阵列在较大的形变下依然保持性能稳定，同时较好的适应环境的变化，具有良好的自适应性。

因此，本发明通过应用液态金属的打印技术以及柔性材料打印一款工作在2.45GHZ用于微波输能的液态金属天线。该液态金属贴片天线将充分发挥液态镓铟金属以及柔性介质基板1可修复、柔性、可重构、抗疲劳、耐腐蚀等优势，应用在集成化小型电子设备中，实现电磁波的接收与发射，并应用于较远距离的能量无线传输，克服传统天线单位能量收集转换效率较低的缺点，不断优化各阵元间连接方式，使该阵列获得较高的增益和效率，可以实现较远距离的能量无线传输，克服传统天线阵列共形性差，难以抵抗机械形变，环境适应性差的缺点。本发明采用柔性材料和液态金属，使该天线阵列能够伸缩、弯曲、扭转而保持其性能稳定，同时具有一定的自适应性。

Claims (6)

1.一种基于微波输能的柔性天线阵列，其特征在于，包括：介质基板(1)、贴片阵列(2)和等效接地板层(4)；

所述介质基板(1)的一面与贴片阵列(2)固定连接，其另一面与等效接地板层(4)固定连接；

所述介质基板(1)包括依次固定连接的第一PU层、第一压敏胶层、PEN层、第二压敏胶层和第二PU层；

将液态金属打印到介质基板(1)上，构成柔性天线阵列。

2.根据权利要求1所述的基于微波输能的柔性天线阵列，其特征在于，所述第一PU层的厚度为20um；所述第一压敏胶层的厚度为10um；所述PEN层的厚度为75um；所述第二压敏胶层的厚度为10um；所述第二PU层的厚度为20um。

3.根据权利要求1所述的基于微波输能的柔性天线阵列，其特征在于，所述贴片阵列(2)包括：第一天线贴片(201)、第二天线贴片(202)、第三天线贴片(203)、第四天线贴片(204)、第一传输线(205)、第二传输线(206)、第三传输线(207)、第四传输线(208)、第五传输线(209)、第六传输线(210)、第七传输线(211)、第八传输线(212)、第九传输线(213)、第十传输线(214)、第十一传输线(215)、第十二传输线(216)、第十三传输线(217)、第十四传输线(218)、第十五传输线(219)和第十六传输线(220)；

所述第一天线贴片(201)、第二天线贴片(202)、第三天线贴片(203)和第四天线贴片(204)上均设有凹槽；所述第一传输线(205)的一端嵌入第一天线贴片(201)的凹槽内，并与第一天线贴片(201)连接，其另一端与第五传输线(209)的一端连接；所述第二传输线(206)的一端嵌入第二天线贴片(202)的凹槽内，并与第二天线贴片(202)连接，其另一端与第六传输线(210)的一端连接；所述第三传输线(207)的一端嵌入第三天线贴片(203)的凹槽内，并与第三天线贴片(203)连接，其另一端与第七传输线(211)的一端连接；所述第四传输线(208)的一端嵌入第四天线贴片(204)的凹槽内，并与第四天线贴片(204)固定连接，其另一端与第八传输线(212)的一端连接；所述第九传输线(213)的一端与第五传输线(209)的另一端连接，其另一端与第六传输线(210)的另一端连接；所述第十传输线(214)的一端与第八传输线(212)的另一端连接，其另一端与第七传输线(211)的另一端连接；所述第十五传输线(219)的一端与第九传输线(213)的几何中心位置连接，其另一端与第十一传输线(215)的一端连接；所述第十六传输线(220)的一端与第十传输线(214)的几何中心位置连接，其另一端与第十一传输线(215)的另一端连接；所述第十二传输线(216)的一端与第十一传输线(215)的几何中心位置连接，其另一端与第十三传输线(217)的一端连接；所述第十三传输线(217)的另一端与第十四传输线(218)的一端连接。

4.根据权利要求3所述的基于微波输能的柔性天线阵列，其特征在于，所述第一天线贴片(201)、第二天线贴片(202)、第三天线贴片(203)和第四天线贴片(204)的长宽均为32.8mm；

所述凹槽的长度为11mm，其宽度为1.8mm；所述第一传输线(205)、第二传输线(206)、第三传输线(207)和第四传输线(208)的长度均为19mm，其宽度均为0.8mm；所述第五传输线(209)、第六传输线(210)、第七传输线(211)和第八传输线(212)均为L型传输线；

所述L型传输线的线宽为5mm、长边长度为18mm和短边长度为10mm，其弯折处设有三段式外径倒角和三段式内径倒角；所述三段式外径倒角的轮廓区域为3×3mm，所述三段式内径倒角的轮廓区域为1×1mm；

所述第九传输线(213)和第十传输线(214)的长度均为40mm，其宽度均为3mm；所述第十五传输线(219)和第十六传输线(220)的长度均为15mm，其宽度均为5mm；所述第十一传输线(215)的长度为38mm，其宽度为3mm；所述第十二传输线(216)的长度为10mm，其宽度为3mm；所述第十三传输线(217)的长度为24.4mm，其宽度为3mm；所述第十四传输线(218)的长度为65.5mm，其宽度为3mm。

5.根据权利要求3所述的基于微波输能的柔性天线阵列，其特征在于，还包括馈电接口(3)，所述馈电接口(3)包括：导电柱(301)、绝缘层(302)和地线层(303)；所述绝缘层(302)为圆柱形，并设有贯穿上下底面的通孔(304)；

所述导电柱(301)的一端嵌入通孔(304)中，与绝缘层(302)固定连接；

所述地线层(303)为铺铜层，所述铺铜层与导电柱(301)外表面固定连接。

6.根据权利要求5所述的基于微波输能的柔性天线阵列，其特征在于，所述导电柱(301)的另一端嵌入介质基板(1)，并与第十四传输线(218)连接；

所述等效接地板层(4)上在馈电接口(3)处设有圆柱形通孔，所述绝缘层(302)和地线层(303)一端嵌入圆柱形通孔内；所述地线层(303)与等效接地板层(4)连接，所述绝缘层(302)与介质基板(1)连接。

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