CN113659331B - 基于太阳能电池的低剖面高增益谐振天线 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于太阳能电池的低剖面高增益谐振天线，包括谐振腔及其位于谐振腔中的线极化馈源(1)，所述的谐振腔包括平行设置的上层透明栏栅状的部分反射面(2)和下层的人工磁导体(3),上层的部分反射面由透明的亚克力介质基板(4)和透明铜微网(5)构成，下层的方形人工磁导体单元由太阳能电池(3)，介质基板(6)和金属地板(1)构成。馈源(1)放置在谐振腔的底部中间，由微带天线构成，从底部的接地板(7)馈电。部分反射面(2)和人工磁导体(3)由尼龙柱连接固定。天线在进行通信的同时，能够收集太阳能并将其转化为直流功率为天线的工作提供了能量，为户外和空间无线通讯设备提供一个有效的供能途径。

Description

基于太阳能电池的低剖面高增益谐振天线
技术领域
本发明涉及自供能天线领域，具体涉及基于太阳能电池的自供能低剖面高增益谐振天线，适用于户外和空间无线通信系统。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，对高增益，高定向性天线的研究逐渐成为一个热门的课题。传统的高增益天线包括反射面天线、介质透镜天线、波导喇叭天线和天线阵列等。这些天线存在着体积大，结构复杂和效率低等问题。与这些传统的天线相比较，高增益谐振谐振腔天线由于其结构简单，天线的口径利用率和辐射效率高等优点，可广泛应用于基站，卫星通讯等无线传输系统中。然而，传统的高增益谐振谐振腔天线都是由部分反射面(PRS)和金属反射板构成，为了满足相位的要求，导致了它的剖面一般为λ/2，这相对于普通的微带阵列仍然比较厚。因此，人工磁导体(AMC)的提出有效的降低了高增益谐振天线的剖面，达到了λ/4甚至更低的高度，极大的减小了天线的尺寸。
另一方面，面对能源的日益匮乏的问题，为了满足户外和空间无线通讯设备的供能需求，集成太阳能电池和天线的双功能系统已经被提出。它能够被广泛的应用到城市网络、卫星通信到无线传感器和机器人系统的一系列应用中。这种系统在不需要充电的条件下，利用集成的太阳能电池将太阳能转换成DC功率，为无线电系统的正常工作提供了能量，实现了设备的自供能，这种集成太阳能电池和天线的结构在一定程度上减小了系统的尺寸和成本。
发明内容
技术问题：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出了低剖面的高增益谐振天线，将太阳能电池制作成人工磁导体并集成在天线上，减小了整体的尺寸，而且能够收集太阳能并转化为直流能量为天线的工作供能。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于太阳能电池的自供能低剖面高增益谐振天线采用的技术方案是：
该谐振天线包括谐振腔以及位于谐振腔内部的馈源；所述的谐振腔包括互相平行设置的上层的部分反射面和下层的人工磁导体，下层的人工磁导体单元由位于介质基板上表面的太阳能电池构成，该下层的人工磁导体既做为接受信号的天线又做为产生电能的太阳能电池，下层的人工磁导体的接地板作为太阳能电池的地板。
所述的馈源由微带天线构成。
所述的上层的部分反射面由透明板材和铜微网制作而成的栏栅结构，铜微网位于透明板材的表面。
所述的部分反射面，下层的人工磁导体，介质基板由非导电材料在四角连接固定。
所述的透明板材为透明的亚克力板材。
所述的非导电材料为尼龙柱。
天线能够进行正常的通信的同时，由太阳能电池构成的人工磁导体也能够收集太阳能，并将其转化为直流功率，为天线的正常工作供能。
所述的上层的部分反射面与下层的人工磁导体之间的距离满足d＝(1/4+n/2)λ0，其中λ0为中心频率电磁波的自由空间波长，n＝0,1,2...；人工磁导体的可以有效的降低天线的剖面高度。
本发明提供了一个紧凑的自供能无线通信系统，天线在进行通信的同时，能够收集太阳能并将其转化为直流功率为天线的工作提供了能量，满足了户外和空间无线通讯设备的供能需求。
有益效果：本发明与现有的高增益谐振天线相比具有以下突出的特点：
1、本发明具有更加紧凑的尺寸，利用人工磁导体的0°反射相位，可以有效地降低天线剖面，并通过将太阳能电池代替传统的人工磁导体单元，使得天线集成了太阳能电池，实现了一个集通讯和供能的双功能系统。
2、天线的上层采用了透明栏栅状的部分反射面，使得太阳能能够更多的照射到太阳能电池表面，保证了太阳能电池的工作。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图。
图2为本发明的正视图。
图3为本发明的人工磁导体及馈源的结构示意图。
图4为本发明的部分反射表面的结构示意图。
图5为本发明的部分反射表面的周期单元结构示意图。
图6为本发明的反射系数曲线图。
图7为本发明的增益频响曲线图。
图8为本发明的Phi＝0°方向图。
图9为本发明的Phi＝90°方向图。
图中有：馈源1、上层的部分反射面2、下层的人工磁导体3、透明板材4、铜微网 5、介质基板6、接地板7。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1、2和3所示，基于太阳能电池的低剖面高增益谐振天线的自供能无线通信系统，整体结构包括谐振腔和一个位于谐振腔内的馈源1，谐振腔底部是下层的人工磁导体3和馈源1，馈源由微带天线构成，通过底部的接地板7进行馈电，所述的下层的人工磁导体3由太阳能电池代替，谐振腔的底面结构如图3所示。谐振腔的上层的部分反射面2，所述的部分反射面由透明板材4即透明的亚克力材料和透明的铜微网5构成，如图4所示，结构为栏栅结构，相比较传统的PRS减少了阴影面积，保证了太阳能电池的输出。所述上层的部分反射面2和下层的人工磁导体3间的中心距离满足 d＝(1/4+n/2)λ0条件，其中λ0为中心频率电磁波的自由空间波长，n＝0,1,2...。实现了低剖面的目标，所述上层的部分反射面2和下层的人工磁导体3结构由尼龙柱连接固定。
如图5所示，所述的组成部分反射面的栏栅结构的PRS，内部方形通孔宽度为W1，外部方形的宽度为W2。
为了便于说明各结构参数的设计过程，给定结构参数，如图1、2、3和4所示，天线的总体尺寸为190mm×190mm×18mm。馈源由微带天线构成，工作频率为2.41-2.44GHz，微带天线的尺寸为31mm×37mm，太阳能电池和贴片天线被制作在厚度为2.54mm，介电常数为3.55，损耗正切角为0.0027的Rogers4003介质基板上，单元上层太阳能电池的尺寸为27mm×27mm，间距为2mm。上层为透明的PRS，采用透明的铜微网和亚克力板制作而成，亚克力板的介电常数为2.55，损耗正切角为0.005，厚度为1mm，为了更大程度的减少上层透明PRS的阴影效果，相应的增加太阳能电池的输出，PRS采用的栏栅结构，PRS单元结构如图5，内外宽度分别为W1＝21.4mm，外部方形的宽度为 W2＝22mm，上层PRS的总体尺寸为133mm×133mm。。选用仿真软件如Ansoft公司的 HFSS、CST公司的Microwave Studio CST等高频仿真软件，在计算机上模拟仿真得到：如图6所示的反射系数曲线图、图7所示的增益频响曲线图、图8所示的Phi＝0°的方向图、图9所示Phi＝90°的方向图。以上得到的曲线实在给定条件下获得，若改变结构参数也可以获得相似的曲线。
以上所述仅是本发明发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于太阳能电池的自供能低剖面高增益谐振天线，其特征在于：该谐振天线包括谐振腔以及位于谐振腔内部的馈源(1)；所述的谐振腔包括互相平行设置的上层的部分反射面(2)和下层的人工磁导体(3)，下层的人工磁导体(3)单元由位于介质基板(6)上表面的太阳能电池构成，该下层的人工磁导体(3)既作为接收信号的天线又作为产生电能的太阳能电池，下层的人工磁导体(3)的接地板(7)作为太阳能电池的地板；
所述的上层的部分反射面(2)为由透明板材(4)和铜微网(5)制作而成的栏栅结构，铜微网(5)位于透明板材(4)的表面。
2.根据权利要求1所述的基于太阳能电池的自供能低剖面高增益谐振天线，其特征在于：所述的馈源(1)由微带天线构成。
3.根据权利要求1所述的基于太阳能电池的自供能低剖面高增益谐振天线，其特征在于：所述的部分反射面(2)，下层的人工磁导体(3)，介质基板(6)由非导电材料在四角连接固定。
4.根据权利要求1所述的基于太阳能电池的自供能低剖面高增益谐振天线，其特征在于：所述的透明板材(4)为透明的亚克力板材。
5.根据权利要求3所述的基于太阳能电池的自供能低剖面高增益谐振天线，其特征在于：所述的非导电材料为尼龙柱。
6.根据权利要求1所述的基于太阳能电池的自供能低剖面高增益谐振天线，其特征在于：天线能够进行正常的通信的同时，由太阳能电池构成的人工磁导体也能够收集太阳能，并将其转化为直流功率，为天线的正常工作供能。
7.根据权利要求1所述的基于太阳能电池的自供能低剖面高增益谐振天线，其特征在于：所述的上层的部分反射面(2)与下层的人工磁导体(3)之间的距离满足d＝(1/4+n/2)λ0，其中λ0为中心频率电磁波的自由空间波长，n＝0,1,2...；人工磁导体有效的降低天线的剖面高度。
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