CN114865295A - 一种光电能量一体化收集天线 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种光电能量一体化收集天线，属于能量收集装置技术领域。该一体化天线采用多层结构，上层采用传统太阳能电池接收太阳能，同时利用太阳能电池本身作为微波天线辐射面，通过口径耦合的方式，将微波能量馈入下层的微波整流电路上，进行微波能的收集。本发明能量一体化收集天线采用太阳能电池的背电极作为微波天线的辐射面，在完全不遮挡太阳能电池的前提下，并同时结合太阳能电池的特征电流来设计馈电结构，有效地实现微波天线功能，减小了一体化收集天线所需要的表面积，实现了表面积的复用，在不影响传统太阳能电池接收效率的基础上，增加了微波能量接收能力。

Description

一种光电能量一体化收集天线
技术领域
本发明属于能量收集装置技术领域，具体涉及一种光电能量一体化收集天线。
背景技术
当前全球致力于可持续发展新能源的研究，从环境中直接获取能源是可持续发展能源的重要途径之一，其中太阳能作为目前为止最干净的可再生资源，在新能源的发展上具有无可替代的地位。但太阳能电池对布置位置的日照、云层、天气等环境状况要求较高，在不满足最佳条件的情况下，能量的转换效率将会大打折扣；其次，针对一些野外长时间工作的无线设备、传感器，通常采用太阳能作为首要能量来源，当光照环境不佳，或者能量供应不足，需要二次能量补给时，若采用光进行二次能量无线传输，将会在系统上产生较大的损耗。
微波作为现代通信的重要手段，在各个领域都有着重要作用。由于微波能量的转换效率高、穿透能力强的特性，在能量传输领域具有重要的意义。但自然环境下微波能量较弱，微波能量收集的补给只能提供较小能量。此外，同样作为能量接收系统，太阳能和微波能单独接收时都需要占用接收设备的表面，同时部署两种能量接收器，会相互占用面积，降低表面积利用率。专利CN214590791U基于双频透明介质谐振器天线的混合能量收集装置中，提出采用透明介质和透明导电膜的方式实现微波能接收天线，可以有效的减小微波天线对太阳能接收的影响，但该方案中透明介质仍然对太阳能电池有一定的影响，降低太阳能电池接收效率。同时透明导电膜的电导率与金属相比仍然存在着一定的差异，这会降低微波能量的接收效率，从而降低整体效率。
因此，如何设计光电能量一体化收集天线，使其具有较高的表面利用效率和整体接收效率，就成为待研究的问题。
发明内容
针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种光电能量一体化收集天线。该一体化天线采用多层结构，上层采用传统太阳能电池接收太阳能，同时利用太阳能电池本身作为微波天线辐射面，通过口径耦合的方式，将微波能量馈入下层的微波整流电路上，进行微波能的收集，实现了在相同占用面积下光电双能量收集效率的提升。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种光电能量一体化收集天线，包括太阳能电池和微波天线；
所述太阳能电池从上至下依次包括栅线层1、半导体结构层2和辐射层3；其中，栅线层1包括一条水平直线主栅线和与主栅线垂直连接的若干条副栅线，若干条副栅线相互平行设置，主栅线的一端设置第一焊盘4；所述辐射层3为矩形金属片，矩形金属片上设置第二焊盘5，第二焊盘5位置与第一焊盘4位置相对应；半导体结构层用于将光子能量转变为电载流子能量，栅线层和辐射层用于共同提取电载流子；
所述微波天线从上至下依次包括辐射层3、第一介质层6、耦合层7、第二介质层8和电路层9，太阳能电池和整流天线共用辐射层3；其中，耦合层7为矩形金属贴片，其中心设置沙漏型缝隙，矩形金属贴片上还设置第三焊盘10，所述电路层9为微波整流电路，其末端设置第四焊盘11，第三焊盘10的位置与第四焊盘11的位置相对应；
太阳能电池和微波天线均为方形，太阳能电池中的半导体结构层2与微波天线中第一介质层6、第二介质层8的尺寸相同。
进一步地，所述半导体结构层2为一对PN结，包括N型半导体层和P型半导体层。
进一步地，所述辐射层表面进行镀金处理，镀层厚度大于微波天线工作频率下的趋肤深度；辐射层的尺寸根据微波天线理论设计。
进一步地，第一焊盘4和第二焊盘5通过焊接银丝将能量引出，为太阳能的能量输出端口。
进一步地，耦合层7上设置的沙漏型缝隙由一个矩形缝隙和两个相互对称的梯形缝隙构成，其中梯形缝隙的上底边与矩形缝隙的窄边重合。
进一步地，所述微波整流电路包含匹配电路、整流电路和滤波电路；所述匹配电路用于保证耦合层耦合过来的能量传输至整流电路中，整流电路用于将微波的高频能量转换为直流能量，滤波电路用于阻止高频能量直接传输到输出口，保证输出能量只有直流能量。
进一步地，第三焊盘10和第四焊盘11通过焊接银丝将能量引出，为微波能的能量输出端口。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明能量一体化收集天线采用太阳能电池的背电极作为微波天线的辐射面，在完全不遮挡太阳能电池的前提下，并同时结合太阳能电池的特征电流来设计馈电结构，有效地实现微波天线功能，减小了一体化收集天线所需要的表面积，实现了表面积的复用，在不影响传统太阳能电池接收效率的基础上，增加了微波能量接收能力；同时，采用口径耦合的方式将辐射面3汇聚的微波能量引导至电路层9，由于该方式无需对第一介质层6进行耦合过孔的加工，而减小了第一介质层6的加工难度，并且口径耦合的方式实现了对辐射面的缺陷地构造，有利于辐射面的尺寸缩减。
附图说明
图1为本发明光电能量一体化收集天线的结构示意图。
图2为本发明光电能量一体化收集天线中耦合层的结构示意图。
图3为本发明光电能量一体化收集天线中电路层的结构示意图。
图4为本发明光电能量一体化收集天线的端口反射系数结果图。
图5为本发明光电能量一体化收集天线的微波能量转换效率结果图。
其中，1为栅线层，2为半导体结构层，3为辐射层，4为第一焊盘，5为第二焊盘，6为第一介质层、7为耦合层，8为第二介质层，9为电路层，10为第三焊盘，11为第四焊盘。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
一种光电能量一体化收集天线，其结构如图1所示，包括太阳能电池和微波天线；
所述太阳能电池从上至下依次包括栅线层1、半导体结构层2和辐射层3；其中，栅线层1包括一条水平直线主栅线和与主栅线垂直连接的若干条副栅线，若干条副栅线相互平行设置，主栅线的一端设置第一焊盘4；所述辐射层3为矩形金属片，矩形金属片上设置第二焊盘5，第二焊盘5位置与第一焊盘4位置相对应；半导体结构层用于将光载流子转变为电载流子，栅线层和辐射层用于共同提取电载流子；
所述微波天线从上至下依次包括辐射层3、第一介质层6、耦合层7、第二介质层8和电路层9，太阳能电池和整流天线共用辐射层3；其中，耦合层7的结构示意图如图2所示，为矩形金属贴片，其中心设置沙漏型缝隙，沙漏型缝隙由一个矩形缝隙和两个相互对称的梯形缝隙构成，其中梯形缝隙的上底边与矩形缝隙的窄边重合，矩形金属贴片上还设置第三焊盘10；
所述电路层9为微波整流电路，其结构示意图如图3所示，包含匹配电路(A区域)、整流电路(B区域)和滤波电路(C区域)，其末端设置第四焊盘11，第三焊盘10的位置与第四焊盘11的位置相对应；
其中，太阳能电池和微波天线均为方形，太阳能电池中的半导体结构层2与微波天线中第一介质层6、第二介质层8的尺寸相同。
实施例1
一种光电能量一体化收集天线，包括太阳能电池和微波天线；其中，太阳能电池中的栅线层1和半导体结构层2，根据传统太阳能电池设计方法设计加工，外形尺寸为20.3mm的正方形；辐射层3由一块矩形金属AuGeNi构成，并在表面镀有4μm的金，矩形金属的尺寸经过仿真优化，最终确定边长为20mm的正方形，微波天线的工作频率为5.8GHz；
微波天线中的第一介质层6的厚度为1mm的泡沫；耦合层7的厚度为18um，材料为铜，其中沙漏型缝隙处于耦合层7的正中心位置，由一个长为2.2mm，宽为0.5mm的矩形和两个相互对称的梯形构成，梯形上底边与矩形的窄边重叠，下底边为3.2mm，梯形的高为2.55mm；辐射面3汇聚的微波能量，通过耦合层7的沙漏型缝隙，耦合至电路层9中匹配电路A的前端微带电路上，采用口径耦合的方式避免了通过在第一介质层6加工金属过孔来引导能量，降低了加工要求。第二介质层8的厚度为0.787mm，材料为罗杰斯4350介质基板材料；电路层9中匹配电路A为主体为微带传输线，匹配结构用单支节匹配；整流电路B为微带传输线中串联一个Skyworks公司的SMS7630-079LF二极管；滤波电路C为变型的高低阻抗线和并联电容构成，电路的具体尺寸根据最佳转换效率，通过仿真优化可以得到。
本实施例得到的光电能量一体化收集天线端口反射系数结果图如图4所示，微波能量转换效率结果图如图5所示。从图4中可以看出，天线对频率为5.8GHz的微波能量有较好的吸收能力。从图5中可以看出，在微波功率密度为2uW/mm2-8uW/mm2的环境下，该天线微波转换效率均能够超过50％。
并且，通过对比相同光照环境下太阳能电池的输出电压和集成天线上的太阳能部分的输出电压，两个输出电压测试结果相一致。该结果表明本发明方案不会对电池性能产生影响，主要原因为本发明技术方案对太阳能电池本身没有任何的遮挡，能够充分保障天线对光能的收集效率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (7)

1.一种光电能量一体化收集天线，其特征在于，包括太阳能电池和微波天线；
所述太阳能电池从上至下依次包括栅线层1、半导体结构层2和辐射层3；其中，栅线层1包括一条水平直线主栅线和与主栅线垂直连接的若干条副栅线，若干条副栅线相互平行设置，主栅线的一端设置第一焊盘4；所述辐射层3为矩形金属片，矩形金属片上设置第二焊盘5，第二焊盘5位置与第一焊盘4位置相对应；半导体结构层用于将光子能量转变为电载流子能量，栅线层和辐射层用于共同提取电载流子；
所述微波天线从上至下依次包括辐射层3、第一介质层6、耦合层7、第二介质层8和电路层9，太阳能电池和整流天线共用辐射层3；其中，耦合层7为矩形金属贴片，其中心设置沙漏型缝隙，矩形金属贴片上还设置第三焊盘10，所述电路层9为微波整流电路，其末端设置第四焊盘11，第三焊盘10的位置与第四焊盘11的位置相对应；
太阳能电池和微波天线均为方形，太阳能电池中的半导体结构层2与微波天线中第一介质层6、第二介质层8的尺寸相同。
2.如权利要求1所述的光电能量一体化收集天线，其特征在于，所述半导体结构层2为一对PN结，包括N型半导体层和P型半导体层。
3.如权利要求1所述的光电能量一体化收集天线，其特征在于，所述辐射层表面进行镀金处理，镀层厚度大于微波天线工作频率下的趋肤深度；辐射层的尺寸根据微波天线理论设计。
4.如权利要求1所述的光电能量一体化收集天线，其特征在于，第一焊盘4和第二焊盘5通过焊接银丝将能量引出，为太阳能的能量输出端口。
5.如权利要求1所述的光电能量一体化收集天线，其特征在于，耦合层7上设置的沙漏型缝隙由一个矩形缝隙和两个相互对称的梯形缝隙构成，其中梯形缝隙的上底边与矩形缝隙的窄边重合。
6.如权利要求1所述的光电能量一体化收集天线，其特征在于，所述微波整流电路包含匹配电路、整流电路和滤波电路；所述匹配电路用于保证耦合层耦合过来的能量传输至整流电路中，整流电路用于将微波的高频能量转换为直流能量，滤波电路用于阻止高频能量直接传输到输出口，保证输出能量只有直流能量。
7.如权利要求1所述的光电能量一体化收集天线，其特征在于，第三焊盘10和第四焊盘11通过焊接银丝将能量引出，为微波能的能量输出端口。
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