CN204441468U - 一种用于无线输电的微带天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于无线输电的微带天线，包括基板、馈电网络、36个辐射单元，所述36个辐射单元呈等间隔排列成6*6的方形阵，相邻两个辐射单元之间的间距为60mm，所述馈电网络用于连接36个辐射单元，且馈电网络与36个辐射单元处于同一平面，所述馈电网络和36个辐射单元均设置于基板的其中一面上。本实用新型用于无线输电的微带天线，结构简单，能量传输效率较高，剖面较低。

Description

一种用于无线输电的微带天线

技术领域

本实用新型涉及一种用于无线输电的微带天线，特别是涉及一种新型的高效率低剖面的无线输能天线，属于无线输能领域。

背景技术

100多年前，Nikola Tesla对无线输电投入了大量的努力，人们一直期望电能能够通过无线的方式进行传输，抛开电力线的束缚。经过一百多年的发展，无线输电技术获得了长足的发展。目前为止，无线输电的方式主要有三种：感应耦合、谐振耦合和借助于无线电波的微波输能。感应耦合方式利用两个线圈来实现，一个作为发射线圈，另外一个作为接收线圈，两个线圈之间通过磁感应耦合实现电能的无限传输；这种方式的优点是效率比较高，传输功率大，缺点是传输距离比较短，不适合远距离输电。谐振耦合方式利用两个(电、磁或者电磁)谐振器实现电能的无线输送；这种方式的优点是效率较高，适合于中距离传输，输送电能的功率高，缺点是传输距离不够远，不适合远距离的电力输送。微波输能方式通过发射天线将电能以电磁波的形式辐射出去，在接收端利用接收天线将能量收集起来；这种输电方式非常灵活，传输距离可近可远，功率可高可低，是一种非常有前途的无线输电方式。

微波输能这种输电方式要利用电磁波来传输电能，辐射电磁波和接收电磁波的天线没有经过很好的设计，那么电磁在空间中将是发散的，势必造成无线输电效率的下降。为了保证电磁波能量在空间传输时不扩散，电磁波必须像光一样能聚集到接收天线，通常采用的是抛物面天线。但抛物面天线比较厚，不适合于对天线要求低剖面的场合。因此，需要设计能够将能量聚集到接收天线上并且具低剖面的无线输能天线是解决这一问题的关键。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种用于无线输电的微带天线，是能够将能量聚集到接收天线上，并且具有高效率低剖面的无线输能天线。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种用于无线输电的微带天线，包括基板、馈电网络、36个辐射单元，所述36个辐射单元呈等间隔排列成6*6的方形阵，相邻两个辐射单元之间的间距为60mm，所述馈电网络用于连接36个辐射单元，且馈电网络与36个辐射单元处于同一平面，所述馈电网络和36个辐射单元均设置于基板的其中一面上。

进一步的，所述基板的另一面敷铜并接地。

优选的，所述馈电网络包括传输线、以及通过传输线相连的4个一分三功分器、27个一分二功分器、12个四分之一波长阻抗变换器。

优选的，所述辐射单元为patch天线单元。

优选的，所述基板为厚度为3mm的FR4基板。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本实用新型用于无线输电的微带天线，中心工作频率为2.45GHz，天线单元之间的间距为60mm，无线输电的距离是150mm，以单个patch天线作为接收天线时传输效率可以达到27.7％，若以与发射天线相同的天线作为接收天线，效率可以达到55％。

2、本实用新型用于无线输电的微带天线，结构简单，能量传输效率较高，剖面较低。

附图说明

图1是本实用新型无线输电的微带天线的结构示意图。

图2是本实用新型单个patch天线单元(微带贴片)的结构示意图。

图3是本实用新型能够实现表中各patch天线单元馈最佳激励的一种馈电网络示意图，其中1、2、……37代表各端口。

图4是本实用新型无线输电的微带天线和单个patch接收天线的系统示意图，其中x、y、z代表三维直角坐标系的x轴、y轴、z轴，圆心在发射天线阵列的中心。

图5是本实用新型发射天线阵列沿z轴方向的电场归一化图。

图6是本实用新型发射天线阵列在聚焦平面沿x轴方向的电场分布图。

图7是本实用新型发射天线阵列在聚焦平面沿y轴方向的电场分布图。

图8是本实用新型发射天线阵列在最大电场强度密度所在平面的电场强度分布图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

如图1所示，为本实用新型无线输电的微带天线的结构示意图，由36个patch天线单元、馈电网络、基板和接地板组成。36个patch天线单元等间隔排列成6*6的方形阵列，patch之间的间距为60mm。馈电网络将36个patch天线单元连接起来，并与各patch天线单元处于同一水平面上。射频能量从馈电网络1端口馈入，通过功分器、四分之一波长阻抗变换器、传输线馈送到各个patch天线单元。在patch天线单元和馈电网络下面是3mm厚的FR4基板，基板下面是接地板，全部敷铜。在接地板和馈电网络1端口处焊接SMA接头。馈电网络的作用是经过1端口馈入的射频信号，经过馈电网络之后到达各patch天线单元，使各patch天线单元获得下表所示的最佳激励。

如图2所示，为本实用新型单个patch天线单元(微带贴片)的示意图。

如图3所示，为本实用新型能够实现下表各patch天线单元馈最佳激励的一种馈电网络示意图，其中1、2、……37代表各个与patch天线单元连接的端口，馈电网络由4个一分三功分器、27个一分二功分器、12个四分之一波长阻抗变换器以及传输线组成，能量由中心1端口馈入，每个分叉口都设有一个功分器，用于将能量馈送到各个patch天线单元。各patch天线单元的最佳激励如下表所示，最佳激励可以使各patch天线单元辐射的电磁波在垂直于patch天线单元所在平面正上方150mm处形成最佳的叠加，即最佳的能量聚集，以达到最佳的传输效率。

表各patch天线单元的最佳激励

编号	幅度(V)	相位(度)	编号	幅度(V)	相位(度)	编号	幅度(V)	相位(度)
									2	0.1	0	14	0.15	-136	26	0.14	-70
3	0.12	-75	15	0.21	129	27	0.17	-158
									4	0.13	-115	16	0.25	96	28	0.19	155
5	0.13	-115	17	0.25	96	29	0.19	155
									6	0.12	-75	18	0.21	129	30	0.17	-158
7	0.1	0	19	0.15	-136	31	0.14	-70
									8	0.14	-70	20	0.15	-136	32	0.1	0
9	0.17	-158	21	0.21	129	33	0.12	-75
									10	0.19	155	22	0.25	96	34	0.13	-115
11	0.19	155	23	0.21	96	35	0.13	-115
									12	0.17	-158	24	0.21	129	36	0.12	-75
13	0.14	-70	25	0.15	-136	37	0.1	0

如图4所示，为本实用新型无线输电的微带天线和单个patch接收天线组成的天线系统示意图，其中x、y、z代表三维直角坐标系的x轴、y轴、z轴，圆心在发射天线阵列的中心。图5-图8为根据图4的实施例做的测试结果和仿真结果的比较图。

如图5所示，为本实用新型发射天线阵列沿z轴方向的电场归一化图，从图中可以看出，测试结果和仿真结果比较吻合，能量都聚集与距发射天线阵列150mm附近的区域内。

如图6所示，为本实用新型发射天线阵列在聚焦平面沿x轴方向的电场分布图，从图中可以看出，能量都集中在中心位置一小块区域内，其它区域能量极其微弱。

如图7所示，为本实用新型发射天线阵列在聚焦平面沿y轴方向的电场分布图，从图中可以看出，能量都集中在中心位置一小块区域内，其它区域能量极其微弱。

如图8所示，为本实用新型发射天线阵列在最大电场强度密度所在平面的电场强度分布图，从图中可以看出，能量被集中在很小的一块区域中，说明该发射天线阵列可以很好的将能量集中在接收天线上，具备很高的无线输电效率。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于无线输电的微带天线，其特征在于：包括基板、馈电网络、36个辐射单元，所述36个辐射单元呈等间隔排列成6 *6的方形阵，相邻两个辐射单元之间的间距为60mm，所述馈电网络用于连接36个辐射单元，且馈电网络与36个辐射单元处于同一平面，所述馈电网络和36个辐射单元均设置于基板的其中一面上。

2.如权利要求1所述用于无线输电的微带天线，其特征在于：所述基板的另一面敷铜并接地。

3.如权利要求2所述用于无线输电的微带天线，其特征在于：所述馈电网络包括传输线、以及通过传输线相连的4个一分三功分器、27个一分二功分器、12个四分之一波长阻抗变换器。

4.如权利要求2所述用于无线输电的微带天线，其特征在于：所述辐射单元为patch天线单元。

5.如权利要求2所述用于无线输电的微带天线，其特征在于：所述基板为厚度为3mm的FR4基板。