CN115313033A - 一种用于携能通信的微带/整流超表面天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于携能通信的微带/整流超表面天线，包括从上到下依次设置的第一介质基板、辐射结构和第二介质基板；第一介质基板表面设置有超表面结构；第二介质基板正下方设置有金属地板，金属地板与第二介质基板之间形成空气间隙；辐射结构通过馈电点连接馈电网络；超表面结构包括周期性阵列排布的结构单元；辐射结构对应位置设置的结构单元之间通过整流二极管相互连接；设置于超表面结构侧面，并连接有整流二极管的结构单元连接LC滤波电路；使用超表面单元结构来实现高增益的，再通过对结构合理设计以及排列方式达到高增益性。
Description
技术领域
本发明涉及超表面整流天线技术领域，具体涉及一种用于携能通信的微带/整流超表面天线。
背景技术
一般情况下，为了提高天线的增益，可以通过在天线上加载超表面的方法达到目的，在相同情况下天线的增益越高就意味着电磁波的传输距离越远，这对移动通信、雷达、卫星通信等领域是非常有意义的。天线中电磁波的传播模式可以分为TE模式波和TM模式波，在某些频率下TE模式波或TM模式波表现为表面波的形式，这些表面波存在超表面单元之间的缝隙之间，对天线的增益和反射系数会造成影响。应用于携能通信的微带/整流超表面共用天线发挥了两方面的作用：一是能够有效收集天线的表面波，增强天线的增益以及缩小了天线的尺寸等性能；二是集成的整流功能的超表面能够直接将传输的RF/MW能量转换为直流能量。
现有技术如“Wide Bandwidth and Enhanced Gain of a Low-Profifile DipoleAntenna Achieved by Integrated Suspended Metasurface”公开了一种可以工作在宽带范围内高增益的悬浮式超表面偶极子天线，该天线最上面是偶极子，超表面位于偶极子下面并且与地面有一定距离的空气间隙。该天线利用该空气间隙实现了TE模式表面波和TM模式波的分离，宽的工作带宽归因于同时激发了悬浮超表面的横向电表面波共振和相邻的偶极子共振。但是该天线虽然提高了增益，没有考虑到如何利用表面波。
现有技术如“Polarization-insensitive wide-angle-reception metasurfacewith simplified structure for harvesting electromagnetic energy”公开了一种单孔极化不敏感能量收集表面，该天线提出了一种旋转中心对称形状的超表面单元，仅通过一个金属通孔就可以实现极化不敏感的特性。超表面可以通过一个金属通孔收集电磁能量，便于进一步整流为直流电。由于在整流为直流电的过程中引入了整流电路，增加了天线设计的复杂性。
现有技术“Compact Dual-Band,Wide-Angle,Polarization-Angle-IndependentRectifying Metasurface for Ambient Energy Harvesting and Wireless PowerTransfer”公开了一种整流超表面，通过借助UC-BPG单元结构，所提出的超表面结构也是由正方形金属片和4条连接线组成；整流二极管连接在超表面单元之间，将能量转化为直流信号。它能够在特定的频带内实现宽范围大角度的能量收集并转换为直流，但是它仅仅作为一个能量收集器，不具备天线通信的能力。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题提供一种用于携能通信的微带/整流超表面天线。
本发明采用的技术方案是：
一种用于携能通信的微带/整流超表面天线，包括从上到下依次设置的第一介质基板、辐射结构和第二介质基板；第一介质基板表面设置有超表面结构；第二介质基板正下方设置有金属地板，金属地板与第二介质基板之间形成空气间隙；辐射结构通过馈电点连接馈电网络；
超表面结构包括周期性阵列排布的结构单元；辐射结构对应位置设置的结构单元之间通过整流二极管相互连接；设置于超表面结构侧面，并连接有整流二极管的结构单元连接LC滤波电路。
进一步的，所述结构单元为正方形结构，正方形四个侧边的中心位置向外侧延伸形成矩形结构的连接部；整流二极管通过连接部连接结构单元。
进一步的，所述辐射结构为正方形结构。
进一步的，所述LC滤波电路包括与结构单元连接的电感和相互并联设置的电阻和电容。
进一步的，所述结构单元采用厚度为0.035mm的铜箔制备，边长为9mm，相邻结构单元之间的距离为1.8mm。
进一步的，所述第一介质基板厚度为0.254mm，第二介质基板厚度为0.635mm，空气间隙为3mm。
进一步的，所述辐射结构采用0.035mm的铜箔制备，采用50Ω同轴馈电的方法向辐射结构馈电。
本发明的有益效果是：
(1)本发明天线中设置有空气间隙可以实现TE模式波和TM模式表面波，使得二极管能够吸收表面波，实现能量利用；
(2)本发明超表面结构可以实现高增益，通过结构合理设计以及排列方式达到高增益性，二极管收集了超表面单元之间缝隙的能量，通过LC滤波电路达到整流的目的。
附图说明
图1为本发明结构主视图。
图2为本发明结构侧视图。
图3为采用本发明结构仿真得到的S参数曲线图。
图4为采用本发明结构仿真得到的E面和H面方向图。
图5为采用本发明结构仿真得到的整流效率随输入功率的变化图。
图中：1-电感，2-电阻，3-电容，4-整流二极管，5-超表面结构，6-金属地板，7-第一介质基板，8-辐射结构，9-第二介质基板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1-图2所示，一种用于携能通信的微带/整流超表面天线，包括从上到下依次设置的第一介质基板7、辐射结构8和第二介质基板9；第一介质基板7表面设置有超表面结构5；第二介质基板9正下方设置有金属地板6，金属地板6与第二介质基板9之间形成空气间隙；辐射结构8通过馈电点连接馈电网络。
超表面结构5包括周期性阵列排布的结构单元，N×瓶，N和P均为大于等于2的正整数；超表面结构5位于最上方，紧贴第一介质基板7，本实施例中采用3×5结构，结构单元为正方形结构，正方形四个侧边的中心位置向外侧延伸形成矩形结构的连接部；整流二极管4通过连接部连接结构单元。该矩形连接部为了后期加工实物时放置整流二级管4，超表面的间隙按照整流二极管4尺寸大小设计。超表面结构5中的结构单元不限于正方形结构，可以选择其他结构，如圆形、方环或耶路撒冷十字振子等结构。当电磁波辐射到超表面结构5时，超表面结构5结构单元之间可以等效一个并联的LC电路，其中L、C的值可以通过调节单元的长度与周期间距来改变。
辐射结构8对应位置设置的结构单元之间通过整流二极管4相互连接；整流二极管4采用SMS-7630型号，结构单元四周的矩形连接部有利于准确放置整流二极管4，整流二极管4具有将交流电整流为直流电的能力，将工作频率下表现为TM模式表面波的能量吸收。整流二极管不限于上述型号，根据功率需求不同选择应用于不同功率的型号；整流二极管直接连接在超表面单元之间，省去了单独设计整流电路的步骤，简化了天线的整体设计。
设置于超表面结构5侧面，并连接有整流二极管4的结构单元连接LC滤波电路。LC滤波电路包括与结构单元连接的电感1和相互并联设置的电阻2和电容3。
辐射结构8为正方形结构，当然辐射结构8并不限于正方形结构，也可以采用偶极子、单极子、缝隙耦合馈电等辐射结构。辐射结构8设置在超表面结构5正下方，由于引入了辐射结构，造成了能量在超表面分布的不均匀，在电场强度强的地方设置整流二极管4有利于收集比较高的能量。同时前一单元输出的能量通过整流二极管4向后一单元传输，传输后的能量与自身吸收的能量叠加并转化为直流功率，同时向下一单元传输提高了整体收集效率。
金属地板6位于最下方，与第二介质基板9之间形成空气间隙，空气间隙的会导致波分为TE模式波和TM模式表面波。表面波的产生会对天线的辐射、增益、效率等产生影响。合理的收集表面波有助于提高天线的性能，介质基板属性的选择和空气间隙的长短可以使模式表面波工作于不同的频率下。
具体使用时，采用50Ω同轴馈电的方法向辐射结构8馈电。结构单元采用厚度为0.035mm的铜箔制备，边长为9mm，相邻结构单元之间的距离为1.8mm。整流二极管4采用SMS-7630，二极管工作于小功率范围，小于5dBm的功率量级。第一介质基板7厚度为0.254mm，第二介质基板9厚度为0.635mm，空气间隙为3mm。第一介质基板7和第二介质基板9均采用RO3210基板，大小均为45mm×35mm，介电常数为10.2。辐射结构8采用0.035mm的铜箔制备，50Ω同轴馈电点距离辐射结构的距离为1.8mm。金属地板6的大小也设置为45mm×35mm。
将上述参数的天线采用CST进行仿真，S参数如图3所示，E面和H面方向图如图4所示。从图3中可以看出，在5.8GHZ频段内|S_11|＝-19.499dB。如图4所示，在5.8GHZ时最大增益可达到7.056dB。
图5为采用本发明结构仿真得到的整流效率随输入功率的变化图。从图5中可以看出，在工作频率5.8GHz和0dBm输入功率下电磁能量接收效率达到最大值，为54.8％。
本发明所述天线通过合理设置空气间隙的方式可以实现TE模式波和TM模式表面波，使得二极管能够吸收表面波，实现能量利用。使用超表面单元结构来实现高增益的，在通过对结构合理设计以及排列方式达到高增益性，二极管的放置收集了超表面单元之间缝隙的能量，最终通过LC滤波电路达到整流的目的。
Claims (7)
1.一种用于携能通信的微带/整流超表面天线，其特征在于，包括从上到下依次设置的第一介质基板(7)、辐射结构(8)和第二介质基板(9)；第一介质基板(7)表面设置有超表面结构(5)；第二介质基板(9)正下方设置有金属地板(6)，金属地板(6)与第二介质基板(9)之间形成空气间隙；辐射结构(8)通过馈电点连接馈电网络；
超表面结构(5)包括周期性阵列排布的结构单元；辐射结构(8)对应位置设置的结构单元之间通过整流二极管(4)相互连接；设置于超表面结构(5)侧面，并连接有整流二极管(4)的结构单元连接LC滤波电路。
2.根据权利要求1所述的一种用于携能通信的微带/整流超表面天线，其特征在于，所述结构单元为正方形结构，正方形四个侧边的中心位置向外侧延伸形成矩形结构的连接部；整流二极管(4)通过连接部连接结构单元。
3.根据权利要求1所述的一种用于携能通信的微带/整流超表面天线，其特征在于，所述辐射结构(8)为正方形结构。
4.根据权利要求1所述的一种用于携能通信的微带/整流超表面天线，其特征在于，所述LC滤波电路包括与结构单元连接的电感(1)和相互并联设置的电阻(2)和电容(3)。
5.根据权利要求2所述的一种用于携能通信的微带/整流超表面天线，其特征在于，所述结构单元采用厚度为0.035mm的铜箔制备，边长为9mm，相邻结构单元之间的距离为1.8mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于携能通信的微带/整流超表面天线，其特征在于，所述第一介质基板(7)厚度为0.254mm，第二介质基板(9)厚度为0.635mm，空气间隙为3mm。
7.根据权利要求1所述的一种用于携能通信的微带/整流超表面天线，其特征在于，所述辐射结构(8)采用0.035mm的铜箔制备，采用50Ω同轴馈电的方法向辐射结构(8)馈电。
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