CN113328247A - 一种锁频取能天线和馈线装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锁频取能天线和馈线装置，包括：天线阵列；所述天线阵列包括馈电网络以及若干个天线阵元；所述若干个天线阵元用于能量转换以及向外定向辐射或接受电磁波；所述馈电网络用于实现所述若干个天线阵元中各天线阵元到馈电点的电流幅值及相位相同；其中，所述天线阵元为矩形微带贴片天线；所述矩形微带贴片天线包括介质基板，所述介质基板上设置有辐射贴片；所述介质基板的材料为聚四氟乙烯。本发明设计了优异的辐射阵元和与之相匹配的馈电网络，能够最大程度地减小电流从辐射单元传输到馈电点的衰减量。

Description

一种锁频取能天线和馈线装置
技术领域
本发明属于电子器件取能技术领域，特别涉及一种锁频取能天线和馈线装置。
背景技术
1964年，美国科学家William C.Brown提出了“整流天线”这一概念，通过将硅半导体整合到射频天线上，首次成功实现了将2-3GHz射频微波转换为直流电。在无线电设备中，天线主要有两个功能：一个是能量转换功能；另一个是向外定向辐射或接收电磁波的功能。天线作为射频能量收集系统的前端接收单元，其主要功能就是捕获自由空间中特定频段的微波射频信号，将此能量转换成一定幅值的高频交流电压并输出给后端匹配网络。天线的性能越好，在相同辐射输入的情况下，天线能提供给后端匹配网络的电压越高，射频能量收集系统能够收集与储存的能量也就越多。
GSM(Global System for Mobile Communication，全球移动通信系统)是目前被世界各个国家广泛使用的二代蜂窝网标准，该系统包括两个主要的射频工作频段，分别为900MHz和1800MHz；我们生活、办公的环境中，充斥着大量的无线路由器。路由器主要使用的通信技术为WIFI技术，与蓝牙、ZigBee相同，这些无线通信网络所采用的标准均为IEEE802.11标准，所使用的工作频段为2.4GHz。使用这些频段无需申请授权许可，且这些频段的使用是完全免费的，因此在我们生活的环境中，这些频段上充斥着大量的智能终端设备，其所发出的射频能量也异常的丰富。PINUELAM和VYASR等人对环境中的射频能量进行了测量，通过对其分析，发现900MHz的通信频段的射频信号强度较高。
现有的锁频取能天线的基板材料多为FR4(玻璃纤维环氧树脂)、陶瓷树脂等，其工作中心频段增益不高，辐射特性也不理想；传统的锁频取能天线只以微带天线作为辐射阵元，缺乏馈电网络设计，增益与转换效率低，不适合用来收集环境中的射频能量。综上，在泛在物联网的大背景下，分布式智能传感器的能量供给存在技术和经济上的难度，而GSM网络使用的2.4GHz频率电磁波大量存在于空间环境中并且可以免费使用，亟需一种新的锁频取能天线和馈线装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锁频取能天线和馈线装置，以解决上述存在的一个或多个技术问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种锁频取能天线和馈线装置，包括：天线阵列；
所述天线阵列包括馈电网络以及若干个天线阵元；所述若干个天线阵元用于能量转换以及向外定向辐射或接受电磁波；所述馈电网络用于实现所述若干个天线阵元中各天线阵元到馈电点的电流幅值及相位相同；
其中，所述天线阵元为矩形微带贴片天线；所述矩形微带贴片天线包括介质基板，所述介质基板上设置有辐射贴片；
所述介质基板的材料为聚四氟乙烯。
本发明的进一步改进在于，所述馈电网络采用微带线馈电或者同轴线馈电的方式对天线阵元进行馈电。
本发明的进一步改进在于，所述天线阵列为1×2阵列天线，采用阵元开槽方式，四分之一波长微带线的宽度为12.5mm，阵元间距离大于等于250mm。
本发明的进一步改进在于，所述采用阵元开槽方式中，凹槽宽度为10mm，凹槽深度为36.2mm。
本发明的进一步改进在于，所述天线阵列最大方向增益为10.8dB，在中心频率915MHz时的回波损耗系数S(1，1)为-31dB。
本发明的进一步改进在于，所述介质基板的厚度为1.6mm。
本发明的进一步改进在于，所述辐射贴片为铜箔，厚度为35μm，长度为109.2mm，宽度为132mm。
本发明的进一步改进在于，所述锁频取能天线和馈线装置的目标频率为915MHz。
本发明的进一步改进在于，所述辐射贴片单元增益为7.8dB，在915MHz回波损耗系数S(1，1)为-30dB。
本发明的进一步改进在于，还包括：能量收集装置，用于将电磁波信号转换为可存储的直流信号；用于在输入端和负载之间建立平衡的能量交互。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中，采用微带天线替代传统天线，其具有剖面薄、体积小、重量轻等优点，同时易于集成化和批量化生产，制作成本低，易于加工和调试。为了提高天线及馈线的增益与转换效率，本发明设计了优异的辐射阵元和与之相匹配的馈电网络，能够最大程度地减小电流从辐射单元传输到馈电点的衰减量。本发明采用聚四氟乙烯替代原有的天线介质基板材料，大大提高了天线增益和辐射特性。
本发明针对环境中射频能量的特性，取GSM上行信号的中心频率915MHz为目标频率，设计了与之匹配的具体尺寸的微带单元天线；同时，从提高天线增益的角度出发，设计馈电网络，实现了对单元天线的组阵。
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，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是本发明实施例中，915MHz天线模型示意图；其中，图1中(a)为FR4天线HFSS模型俯视示意图，图1中(b)为聚四氟乙烯HFSS模型俯视示意图，图1中(c)为天线立体示意图；
图2是本发明实施例中，矩形微带贴片天线的辐射机理示意图；其中，图2中(a)为矩形微带天线结构示意图，图2中(b)为矩形微带天线结构侧视示意图，图2中(c)为矩形微带天线结构俯视示意图；
图3是本发明实施例中，确定最优的FR4天线尺寸分析示意图；其中，图3中(a)为S(1，1)回波损耗特性与天线辐射贴片长度L关系示意图，图3中(b)为S(1,1)回波损耗特性与天线的辐射宽度W关系示意图，图3中(c)为阻抗变换器线宽与Smith圆图变化关系示意图；
图4是本发明实施例中，优化后FR4天线单元特性示意图；其中，图4中(a)为S(1，1)参数示意图，图4中(b)为方向图，图4中(c)为E面和H面的方向图，图4中(d)为端口阻抗特性图，图4中(e)为Smith圆图，图4中(f)为电压驻波比示意图；
图5是本发明实施例中，确定最优的聚四氟乙烯天线尺寸分析示意图；其中，图5中(a)为对凹槽宽度ck的扫描示意图，图5中(b)为凹槽深度cs扫描图；
图6是本发明实施例中，优化后聚四氟乙烯天线单元特性示意图；其中，图6中(a)为S(1，1)参数示意图，图6中(b)为方向图，图6中(c)为E面和H面的方向图，图6中(d)为端口阻抗特性图，图6中(e)为Smith圆图，图6中(f)为电压驻波比示意图；
图7是本发明实施例中，一分二馈电网络各支路参数示意图；
图8是本发明实施例中，激励源在不同相位时，各阵元上的电场分布示意图；其中，图8中(a)为Phase＝0deg，图8中(b)为Phase＝30deg，图8中(c)为Phase＝60deg，图8中(d)为Phase＝90deg，图8中(e)为Phase＝120deg，图8中(f)为Phase＝150deg；
图9是本发明实施例中，优化后的1×2阵列天线的仿真分析示意图；其中，图9中(a)为辐射图，图9中(b)为E面和H面方向图，图9中(c)为Smith圆图，图9中(d)为S(1，1)参数特性示意图，图9中(e)为阻抗特性示意图，图9中(f)为电压驻波比示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面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，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1和图2，本发明实施例的一种锁频取能天线和馈线装置，包括：天线阵元、馈电网络以及能量收集系统。
其中，天线阵元的作用主要有两个，一是能量转换功能，二是向外定向辐射或接受电磁波的功能。
馈电网络的作用是实现各阵元到馈电点的电流幅值和相位相同，得到理想的辐射方向图，同时最大程度上减小电流从辐射单元传输至馈电点的衰减量。
能量收集系统的作用是将射频接收天线接收到的高频交流电磁波信号转换为可存储的直流信号，同时在输入端和负载之间建立平衡的能量交互。
本发明实施例中，所述的接收天线为微带贴片天线，其介质基片下部为导体接地板，介质基片上为贴加的导体薄片，基片厚度小，一般远小于波长，易于实现一维小型化。矩形微带贴片天线工作的主模式为TM10模，电场沿着介质基片厚度方向基本不变，天线在远区的电场垂直分量大小相等、方向相反而互相抵消，产生的辐射电场与天线的表面平行。
请参阅图3至图9，本发明实施例中，FR4(玻璃纤维环氧树脂)作为天线介质基板，其介电常数εr为4.4，介质损耗因数tanδ为0.02，基板厚度h＝1.6mm，采用微带线馈电的方式对天线进行馈电。
FR4介质基板的初始参数主要由一般经验公式得到，与实际的天线参数之间存在一定的差异，通过对天线阵元进行参数化模型设计，探究辐射元长、宽，馈线粗细对天线性能的影响，确定最优的参数。
在FR4介质基板下,辐射贴片铜箔厚度为35μm，四分之一波长阻抗变换器的长度L1为48.6mm和宽度W1为2.1mm，50Ω特征阻抗的微带馈线线宽W2为3.02mm。
采用FR4材质作为天线的介质基板，能实现较好的阻抗匹配，但在工作中心频段增益仅为0.5dB左右，辐射贴片的辐射特性并不是很理想，这主要和FR4板材的介质损耗因数较大有关(为0.02)，辐射单元本身就已经消耗了太多的能量。考虑到环境中的射频能量强度较低，天线能输出的电压幅值也相对较小，若采用此天线，这将会增大后端电路的设计难度，因此拟采用介质损耗强度较小的介质基板重新设计天线阵元，对材料成本、加工难易程度等方面进行综合考虑，拟采用聚四氟乙烯进行天线阵元的设计。
本发明实施例中，聚四氟乙烯作为天线介质基板，其介电常数εr为2.2，介质损耗因数tanδ为0.0008，基板厚度h＝1.6mm，采用微带线馈电的方式对天线进行馈电。
基于聚四氟乙烯的天线阵元，其初始尺寸都有一般经验公式得到。但为了考虑减小亏电线的长度，同时减小辐射阵元的尺寸，采用对辐射源开槽的方式来实现对辐射源的馈电，通过调节凹槽深度cs和宽度ck的方法，实现辐射单元与馈线的阻抗匹配。
在聚四氟乙烯介质基板下,辐射贴片铜箔厚度为35μm，凹槽宽度ck为10mm，凹槽深度cs为36.2mm，辐射贴片长度l1为109.2mm，宽度w1为132mm。
采用聚四氟乙烯介质基板的辐射贴片单元增益为7.8dB,在E面和H面的波束宽度均在60°以上，在915MHz回波损耗系数S(1,1)为-30dB,辐射单元具有良好的回波损耗特性，结合Smith原图及阻抗图可以看出设计的辐射阵元在915MHz时，其特征阻抗为(53+j0.1)Ω，天线基本阻抗匹配至50欧；在谐振中心，辐射阵元的电压驻波比VSWR接近1，在912MHz--917MHz频率范围内VSWR<2，满足需求。
本发明实施例中，单个天线阵元的增益有限，采用对天线阵元组阵的方式来提高接收单元的增益。对于阵列天线的设计，实际就是在设计好良好辐射单元的基础上，进行馈电网络的设计，通过将馈电网络与辐射单元进行连接，实现天线的组阵。
当馈电网络对各个阵元同时激励时，各阵元天线辐射产生的空间波和表面波会同时作用于邻近的阵元，若阵元间距较小，会导致阵列天线之间产生互耦效应。互耦效应会显著改变阵列天线的性能，对阻抗匹配和辐射方向图产生负面影响，而且这种现象无法完全消除，只能通过改变阵元的排阵间距来尽量控制。为了尽可能得减小互耦效应对天线阵列的影响和尽可能地减小天线阵列的尺寸，仿真时通过阵元之间的距离d。通过调节各参数，确定最优的1×2阵列天线。1×2阵列天线采用阵元开槽方式，四分之一波长微带线的宽度为12.5mm，阵元间距离大于250mm。
当激励电流相位在0deg～180deg变化时，在此范围内任一给定相位，所设计的1×2阵列天线，各阵元上的电场分布基本一致，说明各阵元激励电流的幅值和相位基本一致，天线阵具有良好的辐射性能。通过仿真设计优化后的1×2阵列天线具有较好的辐射性能，其最大方向增益为10.8dB，在中心频率915MHz时的回波损耗系数S(1,1)为-31dB，远低于工程需求上的-10dB，天线阵列具有良好的回波损耗特性；结合Smith原图及天线输出端口阻抗特性图可以看出，设计的辐射阵列在工作频率为915MHz时，其特征阻抗为23.5Ω+j2.95Ω，天线输出阻抗基本匹配至预期的25Ω；在谐振中心，辐射阵元的电压驻波比VSWR接近1，在912MHz-917MHz频率范围内VSWR<2，基本满足设计需求。
本发明实施例中，能量收集系统主要包括RF-DC(射频-直流)倍压整流电路、DC-DC电荷泵以及无源电压监测模块。设计的射频能量收集系统可将RF能量转换为直流能量，并将其存储在一级储能电容中，可为无电池的微功率器件提供射频能量收集和电源管理等方面的技术支持。通过设计电压迟滞比较器监测此电容上的电压，当储存的能量达到一定值时，电压将会达到充电阈值，此时使能DC-DC开关转换器，将此电压转换为设定的输出电平存储在二级储能电容上供用电设备使用，在这个时间段内一级储能电容一直处于放电状态而电压不断降低，当电容器内的电荷下降到一定值时，其上的电压也会降低至低电压阈值，为1V左右，电压迟滞比较器因供电电压不足以驱动其工作而停止运行，电压比较器无法使能DC-DC转换器，因而一级储能电容再次进入充电模式。
综上，本发明实施例中，接收天线主要为微带贴片天线，选用聚四氟乙烯材料，主作为能量收集系统的前端接受单元。研究了天线阵元辐射面长度、宽度、开槽深度及馈电方式对天线阵元性能的影响，通过仿真优化各参数，构造了回波损耗、方向图、端口阻抗特性、单元天线增益、电压驻波比等均满足设计需求的天线阵元；在获得了良好辐射性能天线阵元的基础上，通过使用ADS电磁仿真软件及四分之一波长阻抗变换器设计了天线馈电网络，实现了1×2阵列天线的射频能量收集系统前端接收单元，最终组阵后的阵列天线增益为13.8dB，大大提高了接收天线的增益，实现锁频取能的目的。本发明采用微带天线替代传统天线，其具有剖面薄、体积小、重量轻等优点，同时易于集成化和批量化生产，制作成本低，易于加工和调试；本发明采用聚四氟乙烯替代原有的天线介质基板材料，能够大大提高天线增益和辐射特性；为了提高天线及馈线的增益与转换效率，本发明设计了优异的辐射阵元和与之相匹配的馈电网络，可最大程度地减小电流从辐射单元传输到馈电点的衰减量。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锁频取能天线和馈线装置，其特征在于，包括：天线阵列；
所述天线阵列包括馈电网络以及若干个天线阵元；所述若干个天线阵元用于能量转换以及向外定向辐射或接受电磁波；所述馈电网络用于实现所述若干个天线阵元中各天线阵元到馈电点的电流幅值及相位相同；
其中，所述天线阵元为矩形微带贴片天线；所述矩形微带贴片天线包括介质基板，所述介质基板上设置有辐射贴片；
所述介质基板的材料为聚四氟乙烯。
2.根据权利要求1所述的一种锁频取能天线和馈线装置，其特征在于，所述馈电网络采用微带线馈电或者同轴线馈电的方式对天线阵元进行馈电。
3.根据权利要求1所述的一种锁频取能天线和馈线装置，其特征在于，所述天线阵列为1×2阵列天线，采用阵元开槽方式，四分之一波长微带线的宽度为12.5mm，阵元间距离大于等于250mm。
4.根据权利要求3所述的一种锁频取能天线和馈线装置，其特征在于，所述采用阵元开槽方式中，凹槽宽度为10mm，凹槽深度为36.2mm。
5.根据权利要求3所述的一种锁频取能天线和馈线装置，其特征在于，所述天线阵列最大方向增益为10.8dB，在中心频率915MHz时的回波损耗系数S(1,1)为-31dB。
6.根据权利要求1所述的一种锁频取能天线和馈线装置，其特征在于，所述介质基板的厚度为1.6mm。
7.根据权利要求6所述的一种锁频取能天线和馈线装置，其特征在于，所述辐射贴片为铜箔，厚度为35μm，长度为109.2mm，宽度为132mm。
8.根据权利要求7所述的一种锁频取能天线和馈线装置，其特征在于，所述锁频取能天线和馈线装置的目标频率为915MHz。
9.根据权利要求8所述的一种锁频取能天线和馈线装置，其特征在于，所述辐射贴片单元增益为7.8dB，在915MHz回波损耗系数S(1,1)为-30dB。
10.根据权利要求1所述的一种锁频取能天线和馈线装置，其特征在于，还包括：
能量收集装置，用于将电磁波信号转换为可存储的直流信号；用于在输入端和负载之间建立平衡的能量交互。
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