CN113178951A - 一种基于多天线的能量采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多天线的能量采集装置，包括若干能量采集单元，各能量采集单元包括：天线单元和能量采集芯片。天线单元包括由上至下依次设置的第一辐射体、第二辐射体以及第三辐射体；第一辐射体和第二辐射体之间夹设有第一介质基板；第二辐射体与第三辐射体之间夹设有第二介质基板；第一辐射体设置有用于将天线单元与能量采集芯片电气连接的馈电点。能量采集芯片，其输入端与第一辐射体的所述馈电点耦合，用于接收天线单元收集到的交流电能，以转换成待用电能。本发明天线单元极大程度的降低混凝土对天线的影响；通过将若干能量采集单元串联或并联接入系统，能提高能量采集装置的灵敏度。提高了能量采集装置在混凝土中的能量采集效率。

Description

一种基于多天线的能量采集装置

技术领域

本发明涉及电子设备技术领域，特别涉及一种基于多天线的能量采集装置。

背景技术

钢筋混凝土广泛应用于隧道、楼宇、桥梁等各种结构中，通常需要将带有供电电源的传感器填埋入混凝土，利用传感器来定期监测混凝土的温度、湿度、受力变化、钢筋的移位和腐蚀等情况。

然而带有供电电源的传感器在工作一段时间后容易出现电源电量耗尽的情况，由于是被填埋在混凝土中，因此无法更换电源。由此需要采用带能量采集装置的传感器，即将能量采集装置和传感器填埋至混凝土中，在传感器需要工作的时候，利用能量采集装置来采集能量、为传感器供电。但是现有的能量采集装置由于是被填埋至混凝土中，因此在在进行能量采集时，效率较低。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种基于多天线的能量采集装置，用于解决现有技术中能量采集装置采集能量效率较低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的实施例采用了如下技术方案：一种基于多天线的能量采集装置，包括：若干能量采集单元，各所述能量采集单元包括：

天线单元，包括依次设置的第一辐射体、第二辐射体以及第三辐射体；第一辐射体和第二辐射体之间夹设有第一介质基板；第二辐射体与所述第三辐射体之间夹设有第二介质基板；所述第一辐射体设置有用于将所述天线单元与能量采集芯片电气连接的馈电点；

能量采集芯片，其输入端与第一辐射体的所述馈电点耦合，用于接收所述天线单元收集到的交流电能，以转换成待用电能。

可选的，所述能量采集单元还包括阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络的输入端与所述第一辐射体的馈电点通过金属馈电片电气连接；所述阻抗匹配网络的输出端与所述能量采集芯片的输入端电气连接；所述阻抗匹配网络用于将所述天线单元输出的交流电信号传输给所述能量采集芯片。

可选的，所述第一辐射体上设置有用于改变第一辐射体电流路径的凹槽。

可选的，在所述第一辐射体与第二辐射体之间还设置有短路装置；短路装置可以为金属探针穿过第一辐射体和第二辐射体。调节金属探针的位置用于调节所述天线单元的天线阻抗。

可选的，各所述能量采集单元以串联的方式电气连接；

或者，各所述能量采集单元以并联的方式电气连接；

或者，各所述能量采集单元以串联和并联结合的方式电气连接。

可选的，各所述天线单元以队列的排列方式设置；或者，各所述天线单元以环形的排列方式设置。

可选的，所述阻抗匹配网络包括若干阻抗协调单元；各所述阻抗协调单元以串联方式、并联方式或者串联和并联结合的方式电气连接。

可选的，各所述能量采集单元的第一介质基板为一体设置；

各所述能量采集单元中的阻抗匹配网络以及各所述能量采集单元中的能量采集芯片设置在同一块印刷电路板上；所述印制电路板的边缘嵌入所述一体设置的第一介质基板。

可选的，所述第一介质基板的材质包括如下任意一种：高分子材料、改性材料、陶瓷、橡胶或玻璃；

所述第二介质基板的材质包括如下任意一种：高分子材料、改性材料、陶瓷、橡胶或玻璃。

可选的，所述装置还包括带有容纳腔的外壳；

各所述能量采集单元设置于所述容纳腔内。

本发明中，通过设置若干能量采集单元，每个能量采集单元包括三个辐射体，通过这样的设计能够实现在同样电长度的条件下，降低混凝土的对天线的影响，能够及时、快速的接收到电磁波，从而能够获得足够的电量，进而提高能量采集装置的能量采集效率。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于多天线的能量采集装置的整体结构示意图；

图2为本发明又一实施例一种基于多天线的能量采集装置原理架构图；

图3为本发明一实施例中阻抗匹配网络的电路结构示意图；

图4为本发明另一实施例基于多天线的能量采集装置的整体结构示意图；

图5为本发明另一实施例基于多天线的能量采集装置壳体结构示意图；

图6为本发明又一实施例基于多天线的能量采集装置的整体结构示意图；

图7为本发明又一实施例基于多天线的能量采集装置的处于拆分状态下的结构示意图。

具体实施方式

此处参考附图描述本申请的各种方案以及特征。

应理解的是，可以对此处申请的实施例做出各种修改。因此，上述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例。本领域的技术人员将想到在本申请的范围和精神内的其他修改。

包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本申请的实施例，并且与上面给出的对本申请的大致描述以及下面给出的对实施例的详细描述一起用于解释本申请的原理。

通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本申请的这些和其它特性将会变得显而易见。

还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本申请进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本申请的很多其它等效形式，它们具有如权利要求所述的特征并因此都位于借此所限定的保护范围内。

当结合附图时，鉴于以下详细说明，本申请的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见。

此后参照附图描述本申请的具体实施例；然而，应当理解，所申请的实施例仅仅是本申请的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以避免不必要或多余的细节使得本申请模糊不清。因此，本文所申请的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本申请。

本说明书可使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本申请的相同或不同实施例中的一个或多个。

本发明实施例提供一种基于多天线的能量采集装置，具体可以应用于混凝土中，本实施例中的装置包括若干能量采集单元1，如图1和图2所示，各所述能量采集单元1包括：

天线单元11，包括依次设置的第一辐射体111、第二辐射体112以及第三辐射体113，第一辐射体111、第二辐射体112以及第三辐射体113均是金属材料，例如可以是铜，铝，钢等，具体可以根据实际需要选材，其中，第一辐射体的长度可以根据实际需要设定，通过调节第一辐射体的长度可以改变辐射体的电流路径，调节天线的谐振频率。所述第一辐射体和第二辐射体之间夹设有第一介质基板114；第二辐射体113与第三辐射体112之间夹设有第二介质基板。本实施例中第一介质基板和第二介质基板的材质可以为各种高分子材料、根据仿真而特制的改性材料、陶瓷、橡胶或玻璃等等，具体可以根据相对介电常数和损耗正切值的要求来选择相应的材料。所述第一辐射体111设置有用于将所述天线单元与能量采集芯片电气连接的馈电点；

能量采集芯片12，其输入端与第一辐射体111的所述馈电点耦合，用于接收所述天线单元收集到的交流电能，以转换成待用电能。

在具体实施过程中，天线单元11具体是通过阻抗匹配网络13与能量采集芯片12耦合的；即阻抗匹配网络和能量采集芯片均布局在印刷电路板上。阻抗匹配网络的作用是控制信号的反射。本实施例中阻抗匹配网络包括若干阻抗协调单元，即包括若干元器件；各所述阻抗协调单元以串联方式、并联方式或者串联和并联结合的方式电气连接。阻抗匹配网络具体可以采用如图3所示的电路结构，元器件131、元器件132、元器件133、元器件134可以是电容、电阻或电感。阻抗匹配网络的输出端通过馈线135连接到能量采集芯片的输入端121，阻抗匹配网络13的输入端通过馈线136与天线单元11的第一辐射体的金属馈电片连接。由此就可以实现将与阻抗匹配网络对应的天线单元所输出的交流电信号传输给所述能量采集芯片。

本实施例在具体实施过程中，第一辐射体111上设置有用于改变第一辐射体电流路径的凹槽。在所述第一辐射体与第二辐射体之间还设置有短路装置，短路装置可以为金属探针穿过第一辐射体和第二辐射体。调节金属探针的位置用于调节所述天线单元的天线阻抗。

本实施例中通过设置若干能量采集单元，每个能量采集单元包括三个辐射体，通过这样的设计能够实现在同样电长度的条件下，降低混凝土的对天线的影响，由此能够提高效的接收基站或者信号发生器发送出来的电磁波能量，为后续基于电磁波能量来获得直流电提供了基础，提高了能量采集装置的能量采集效率。

在上述实施例的基础上，本发明另一实施例提供一种基于多天线的能量采集装置，如图4所示，本实施例的能量采集装置包括6个能量采集单元1，各能量采集单元1中的天线单元以队列的排列方式设置，即6个天线单元以队列的排列方式设置。能量采集装置可以以串联的方式电气连接；或者以并联的方式电气连接，也可以是以每3个能量采集单元串联后再并联的方式电气连接，或者是以每2个采集装置串联后并联的方式电气连接。具的连接方式可以根据实际情况选择。

具体的，本实施例中，每个能量采集单元包括天线单元、阻抗匹配网络以及能量采集芯片。6个天线单元的第一介质基板114为一体设置，即6个第一介质基板114为一体设置。6个天线单元的第三辐射体113也为一体设置，即6个第三辐射体113为一体设置。

每个能量采集单元中的阻抗匹配网络以及每个所述能量采集单元中的能量采集芯片设置在同一块印刷电路板2上，印制电路板2至少为双层板；所述印制电路板2的边缘嵌入所述一体设置的第一介质基板114。

在每个能量采集单元1中，第一辐射体111通过金属馈电片115与印制电路板组件2上面的馈电过孔相接，馈电过孔与馈线相连，通过馈线与对应的印刷电路板上的阻抗匹配网络相连，阻抗匹配网络通过微带线与印刷电路板上的能量采集芯片相连。印刷电路板2贴近第二辐射体112的下表面露铜并与第二辐射体112充分接触，以此来加强天线的可靠性，第二辐射体112设置与接地端，通过该接地端与地连接。6个第三辐射体也可以为一体设置，布满了整个能量采集装置的底部，第三辐射体作为反射板，能够增加90度角方向的增益，这样有利于提高向上方向的增益，从而提高能量采集装置在同等条件下、向上方向的传输距离。

本实施例在具体实施过程中，金属馈电片115可以设置在第一辐射体111上的任意位置。随着金属馈电片115位置的变化，天线单元的谐振频率也会呈现有规律的变化，相应的天线的阻抗也会发生变化。与此同时，金属馈电片115移动到不同位置的时候天线在指定频率925MHz下的增益(在不考虑回波损耗的前提下)变化甚微。即在只移动金属馈电片115的前提下天线的阻抗会有变化，而天线辐射的方向性没有变化。因此通过配合金属馈电片115的位置以及阻抗匹配网络的中的各元器件参数的选择，可以让天线在指定频率的辐射性能达到最优。

本实例中的能量采集装置还包括带有容纳腔的外壳4，具体如图5所示。外壳4由壳顶壳底、4个侧壁组成。本实施例中的外壳材料可以为高分子材料。6个所述能量采集单元设置于外壳4的容纳腔内。外壳4与各第一辐射体对应的位置的厚度大于5mm，即壳顶的厚度大于5mm。在将本实施例中的能量采集装置填埋在钢筋混凝土中时，由于壳顶的厚度大于5mm，由此保障了第一辐射体和混凝土之间的距离大于5mm，从而保障了天线的辐射效率。

本发明中，通过调整天线单元中第一辐射体上的馈电点的位置和匹配网络的器件参数来使天线的辐射性能达到最优。通过增加第三辐射体作为反射板可以调整天线的方向性，从而使天线在可利用方向上增益达到优秀的水平；通过增加壳顶厚度来降低天线在填埋在钢筋混凝土等恶劣电磁辐射环境中时辐射能量的损耗。综上所述可以达到强穿透性的效果。

进一步的，本实施例中的能量采集装置的输出端与一通信单元电气连接，用于为该通信单元供电。本实施例中，通信单元的器件也布局在印制电路板2上。通信单元中也包括天线单元，该天线单元的中包括两个辐射体，其中一个辐射体设置在印制电路板2上，另一个辐射体3是与能量采集芯片的输出端电气连接，由此能量采集芯片在将交流电转换成直流电之后就可以将该直流电输出给通信单元，以使该通信单元能够将传感器监测到的数据远程发送给用户终端或服务器。使得用户终端或服务器能够及时的获取到混凝土的使用情况。

本实施中当能量采集单元串联后各单元的目标电压就降低，相应的接收灵敏度绝对值增大，传输距离相应的增加。当能量采集单元并联后，单位时间内采集到的能量比单单元多，为后面的负载提供更多能量。本实施例中的天线单元能够极大程度的降低混凝土对天线的影响，即使填埋在钢筋混凝土中依然能与外界顺畅传输能量。

本实施例中，通过将各个能量采集单元以串联或者并联或者串联和并联的方式连接，能够实现良好的信号接收效果，极大程度的降低混凝土对天线单元的影响，即使填埋在钢筋混凝土中依然能够与外界顺畅的传输能量。

在上述实施例的基础上，本发明又一实施例提供一种能量采集装置，如图6所示，本实施例的能量采集装置包括6组能量采集单元1。各所述能量采集单元中的天线单元以环形的排列方式设置，即6个天线单元以环形的排列方式设置。6个能量采集装置可以以串联的方式电气连接；或者以并联的方式电气连接，也可以是以每3个能量采集单元串联后再并联的方式电气连接，或者是以每2个采集装置串联后并联的方式电气连接。具的连接方式可以根据实际情况选择。

具体的，本实施例中，每个能量采集单元包括天线单元、阻抗匹配网络以及能量采集芯片。6个能量采集单元的第一介质基板114为一体设置，即6个第一介质基板114为一体设置。6个天线单元的第一介质基板114为一体设置，即6个第一介质基板114为一体设置。6个天线单元的第三辐射体113也为一体设置，即6个第三辐射体113为一体设置。

每个能量采集单元中的阻抗匹配网络以及每个所述能量采集单元中的能量采集芯片设置在同一块印刷电路板2上，印制电路板2至少为双层板；所述印制电路板2的边缘嵌入所述一体设置的第一介质基板114。

在每个能量采集单元1中，第一辐射体111通过所述金属馈电片115与印制电路板组件2上面的馈电过孔相接，馈电过孔与馈线相连，通过馈线与对应的印刷电路板上的阻抗匹配网络相连，阻抗匹配网络通过微带线与印刷电路板上的能量采集芯片相连。印刷电路板2贴近第二辐射体112的下表面露铜并与第二辐射体112充分接触，以此来加强天线的可靠性，第二辐射体112设置与接地端，通过该接地端与地连接。6个第三辐射体也可以为一体设置，布满了整个能量采集装置的底部，这样有利于提高向上方向的增益，从而提高能量采集装置在同等条件下、向上方向的传输距离。

本实施例在具体实施过程中，金属馈电片115可以设置在第一辐射体111上的任意位置。随着金属馈电片115位置的变化，天线单元的谐振频率也会呈现有规律的变化，相应的天线的阻抗也会发生变化。与此同时，金属馈电片115移动到不同位置的时候天线在指定频率925MHz下的增益(在不考虑回波损耗的前提下)变化甚微。即在只移动金属馈电片115的前提下天线的阻抗会有变化，而天线辐射的方向性没有变化。因此通过配合金属馈电片115的位置以及阻抗匹配网络13的中的各元器件参数的选择，可以让天线在指定频率的辐射性能达到最优。

本实例中的能量采集装置还包括带有容纳腔的外壳4。外壳4由壳顶壳底、4个侧壁组成。本实施例中的外壳材料可以为高分子材料。6个所述能量采集单元设置于外壳4的容纳腔内。外壳4与各第一辐射体对应的位置的厚度大于5mm，即壳顶的厚度大于5mm。在将本实施例中的能量采集装置填埋在钢筋混凝土中时，由于壳顶的厚度大于5mm，由此保障了第一辐射体和混凝土之间的距离大于5mm，从而保障了天线的辐射效率。

本发明中，通过调整天线单元中第一辐射体上的馈电点的位置和匹配网络的器件参数来使天线的辐射性能达到最优。通过增加第三辐射体作为反射板可以调整天线的方向性，从而使天线在可利用方向上增益达到优秀的水平；通过增加壳顶厚度来降低天线在填埋在钢筋混凝土等恶劣电磁辐射环境中时辐射能量的损耗。综上所述可以达到强穿透性的效果。

进一步的，本实施例中的能量采集装置的输出端与一通信单元电气连接，用于为该通信单元供电。本实施例中，通信单元的器件也布局在印制电路板2上。通信单元中包括也天线单元，该天线单元的中包括两个辐射体，其中一个辐射体设置在印制电路板2上，另一个辐射体3是与能量采集芯片的输出端电气连接，由此能量采集芯片在将交流电转换成直流电之后就可以将该直流电输出给通信单元，以使该通信单元能够将传感器监测到的数据远程发送给用户终端或服务器。使得用户终端或服务器能够及时的获取到混凝土的使用情况。

本发明实施例中的能量采集装置，多个能量采集单元可以自由串联、并联组合。能量采集单元串联后各单元的目标电压就降低，相应的接收灵敏度绝对值增大，传输距离相应的增加。能量采集单元并联后，单位时间内采集到的能量比单个单元多，为后面的负载提供更多能量。这样，能量采集芯片发挥最大的效用，增加整个系统的通信距离，能够应对恶劣电磁传播环境。

本发明中的能量采集装置结构多样化，可根据性能需求来大型化设备，也可在考虑钢筋混凝图结构强度的情况下小型化设备。

本发明能量采集装置，通过完善的阻抗匹配网络，可以在不改变天线形态的情况下，根据频段需求来改变天线的谐振频率。

本发明中的能量采集装置，填埋在钢筋混凝土之后信号衰减较小，相比于自由空间传输距离降低幅度较小。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于多天线的能量采集装置，其特征在于，包括：若干能量采集单元，各所述能量采集单元包括：

天线单元，包括依次设置的第一辐射体、第二辐射体以及第三辐射体；第一辐射体和第二辐射体之间夹设有第一介质基板；第二辐射体与所述第三辐射体之间夹设有第二介质基板；所述第一辐射体设置有用于将所述天线单元与能量采集芯片电气连接的馈电点；

能量采集芯片，其输入端与第一辐射体的所述馈电点耦合，用于接收所述天线单元收集到的交流电能，以转换成待用电能。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述能量采集单元还包括阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络的输入端与所述第一辐射体的馈电点通过金属馈电片电气连接；所述阻抗匹配网络的输出端与所述能量采集芯片的输入端电气连接；所述阻抗匹配网络用于将所述天线单元输出的交流电信号传输给所述能量采集芯片。

3.如权利要求1所述的基于多天线的能量采集装置，其特征在于，所述第一辐射体上设置有用于改变第一辐射体电流路径的凹槽。

4.如权利要求1所述的基于多天线的能量采集装置，其特征在于，在所述第一辐射体与第二辐射体之间还设置有短路装置，所述短路装置用于调节所述天线单元的天线阻抗。

5.如权利要求1所述的基于多天线的能量采集装置，其特征在于，各所述能量采集单元以串联的方式电气连接；

或者，各所述能量采集单元以并联的方式电气连接；

或者，各所述能量采集单元以串联和并联结合的方式电气连接。

6.如权利要求5所述的能量采集装置，其特征在于，各所述天线单元以队列的排列方式设置；或者，各所述天线单元以环形的排列方式设置。

7.如权利要求2所述的能量采集装置，其特征在于，所述阻抗匹配网络包括若干阻抗协调单元；各所述阻抗协调单元以串联方式、并联方式或者串联和并联结合的方式电气连接。

8.如权利要求1所述的基于多天线的能量采集装置，其特征在于，各所述能量采集单元的第一介质基板为一体设置；

各所述能量采集单元中的阻抗匹配网络以及各所述能量采集单元中的能量采集芯片设置在同一块印刷电路板上；所述印制电路板的边缘嵌入所述一体设置的第一介质基板。

9.如权利要求1所述的基于多天线的能量采集装置，其特征在于，所述第一介质基板的材质包括如下任意一种：高分子材料、改性材料、陶瓷、橡胶或玻璃；

所述第二介质基板的材质包括如下任意一种：高分子材料、改性材料、陶瓷、橡胶或玻璃。

10.如权利要求1所述的基于多天线的能量采集装置，其特征在于，所述装置还包括带有容纳腔的外壳；

各所述能量采集单元设置于所述容纳腔内。

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