CN206922023U - 一种用于在线监测系统供能的超宽带天线能量采集系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于在线监测系统供能的超宽带天线能量采集系统，包含超宽带天线和整流电路，使用介电常数为4.4的FR‑4环氧玻璃纤维板为介质基板，在共面波导馈电的槽双极子天线基础上，采用渐变结构，使该槽天线的结构变化平缓，从而达到阻抗渐变的效果，进而使得天线具有宽频带特性；在此基础上再增加一对枝节延长电流路径，在增加天线带宽的同时，降低天线工作频率，使得低频达到800MHz。再将该天线与一个由电容与二极管组成的倍压整流电路连接，将天线采集到的低功率射频能量转换成在线监测系统所需的直流能量。本实用新型可广泛、灵活的采集环境中的射频电磁波能量，进而有效的为监测系统传感器供能。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种天线能量采集系统，特别是一种用于在线监测系统供能的超宽带天线能量采集系统。
背景技术
为了适应水质，大气等环境要素在线监测的需要，各类在线监测系统的研制工作成为最近研究的重点。而各类传感器作为在线监测系统的重要组成单元，由于需要大量在野外（非室内）设置，其供能问题也吸引了越来越多研究者的注意。随着超低功耗芯片技术的越发成熟，收集周围环境中的无线射频能量，进而为传感器提供电能成为一种有效可行的新型能源供应模式。而无线能量采集技术中最重要的部分是接收天线的设计。
在线监测系统中的传感器往往是大量，广范围的布置，从而带来传感器所处的无线环境十分复杂。目前的众多关于能量采集天线的研究成果，往往只工作在一个特定的频带，因而无法解决这一问题。比如文献[1]中所述的天线，只能工作在GSM的1.9GHz频段及ISM的2.4GHz频段，因而也只能采集这2种频带中的无线能量。如果传感器工作环境只有GSM800、900MHz或者更高频率的3G，4G无线通信信号，当射频能量采集系统采用此天线则不能采集环境中的射频能量。此外，文献[2]中的天线不仅工作频段数目少且其天线尺寸较大，同时其采用的多层结构设计使得该天线厚度较大、结构复杂。文献[3]中的天线虽然具有1.28GHz-30GHz的带宽，覆盖了众多无线通信频段，但是由于其采用立体三维结构，不易在野外安装或与在线监测系统集成。
[1] 徐雷钧,杨晓东,白雪,赵不贿. 一种基于缝隙结构的小型双频段射频能量接收天线[J]. 通信技术,2014,01:106-110.
[2]贺秀莲,纪奕才,雷宏,刘其中,龚书喜. 适用于移动通信的宽频带微带天线[J]. 电子与信息学报,2007,11:2771-2774.
[3]宋朝晖,祁嘉然,邱景辉,周廷显. 圆盘单极超宽带天线特性研究[J]. 哈尔滨工程大学学报,2007,01:26-30.。
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在线监测系统供能的超宽带天线能量采集系统，解决在线监测系统所处无线环境复杂，当前射频能量采集系统中天线覆盖频段数目少、工作带宽较窄且尺寸较大等问题。
为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：
一种用于在线监测系统供能的超宽带天线能量采集系统，其特征在于：包含超宽带天线和整流电路，所述超宽带天线覆盖的频带范围为0.8GHz-20GHz；
所述超宽带天线为简单槽双极子天线，整体为W×L×H的长方体天线，每个槽由半短轴长为a1、半长轴长为b1的四分之一椭圆和半短轴长为a2、半长轴长为b2的四分之一椭圆以及两四分之一椭圆之间的矩形构成，其中，W为140mm，L为100mm，H为1mm，a1为38mm，b1和b2均为80mm，a2为10mm；天线下端两个槽相对位置设置有两条沿长度方向设置的间隙，间隙宽度g为0.2mm，两条间隙之间天线宽度W1为2mm，槽下侧边沿与天线下侧边沿宽度W2为10mm，槽上侧边与天线上侧边沿宽度W3为 10mm；槽侧边与天线侧边最小宽度W6为2mm；
超宽带天线两个槽内分别设置有枝节，每个枝节包含第一枝节和第二枝节，第一枝节一端与超宽带天线内侧端部连接，第二枝节一端与第一枝节另一端连接；
所述第一枝节由半短轴长为a3、半长轴长为b3的四分之一椭圆去除同一圆心位置的半短轴长为a4、半长轴长为b4的四分之一椭圆后剩余部分构成，其中，a3为45mm，b3为65mm，a4为44cm，b4为50mm，第一枝节与天线连接端宽度W4为1mm；
所述第二枝节由半径为R的四分之一圆和半短轴长为a5、半长轴长为b5的四分之一椭圆去除同一圆心位置的半短轴长为a6、半长轴长为b6的四分之一椭圆后剩余部分以及L1×W5的长方形构成，其中，R为15mm，a5为35mm，b5为48mm，a6为20mm，b6为33mm，L1为15.5mm，W5为15mm。
进一步地，所述超宽带天线采集无线射频能量为在线监测系统中的传感器供能，无线射频信号来源包含数字集群基站和移动台、CDMA数字蜂窝基站、GSM900/1800、WLAN、WiMAX、TD-SCDMA以及TD-LTE。
进一步地，所述超宽带天线包含上层辐射体和下层介质基板。
进一步地，所述上层辐射体采用铜材质，下层介质基板采用介电常数为4.4的FR-4环氧玻璃纤维板。
进一步地，所述整流电路为倍压整流电路。
进一步地，所述倍压整流电路包含电容C1、C2和二极管D1、D2，超宽带天线输出端一端与电容C1一端连接，电容C1另一端与二极管D1阴极和二极管D2阳极连接，二极管D2阴极与电容C2一端以及传感器输入端一端连接，超宽带天线输出端另一端与二极管D1阳极、电容C2另一端以及传感器输入端另一端连接。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、本实用新型的天线尺寸为140mm×100mm×1mm，小于常用的800MHz频段天线；且为平面结构，易于集成到无线传感器中去；
2、本实用新型的天线带宽大，覆盖多种无线通信频段，从而可以适应野外复杂的无线电磁环境；
3、本实用新型采用厚度为1mm且价格低廉的FR-4环氧玻璃纤维板作为介质基板，较现有技术的天线有更薄的厚度和更低的制作成本。
附图说明
图1是本实用新型的一种用于在线监测系统供能的超宽带天线能量采集系统的模块连接图。
图2是本实用新型的超宽带天线俯视图。
图3是本实用新型的超宽带天线侧视图。
图4是本实用新型的整流电路的电路图。
图5是本实用新型的超宽带天线S11参数折线图。
图6是本实用新型的超宽带天线在800MHz的xoz平面和yoz平面辐射方向图。
图7是本实用新型的超宽带天线在1GHz的xoz平面和yoz平面辐射方向图。
图8是本实用新型的超宽带天线在2.45GHz的xoz平面和yoz平面辐射方向图。
图9是本实用新型的超宽带天线未加枝节前天线的S11参数。
图10是本实用新型的超宽带天线加了枝节后天线的S11参数。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。
如图1所示，本实用新型的一种用于在线监测系统供能的超宽带天线能量采集系统，包含超宽带天线和整流电路，超宽带天线覆盖的频带范围为0.8GHz-20GHz。超宽带天线采集无线射频能量为在线监测系统中的传感器供能，无线射频包含数字集群基站和移动台（806MHz-821MHz、851MHz-866MHz）、CDMA数字蜂窝基站（825MHz-835MHz、870MHz-880MHz）、GSM900/1800、WLAN（2.4GHz-2.4835GHz，5.15GHz-5.85GHz）、WiMAX(2.3GHz-2.4GHz)、TD-SCDMA(2010MHz-2025MHz)以及TD-LTE（2300MHz-2390MHz）等频段的无线射频能量。
如图2和图3所示，超宽带天线为简单槽双极子天线，整体为W×L×H的长方体天线，每个槽由半短轴长为a1、半长轴长为b1的四分之一椭圆和半短轴长为a2、半长轴长为b2的四分之一椭圆以及两四分之一椭圆之间的矩形构成，其中，W为140mm，L为100mm，H为1mm，a1为38mm，b1和b2均为80mm，a2为10mm；天线下端两个槽相对位置设置有两条沿长度方向设置的间隙，间隙宽度g为0.2mm，两条间隙之间天线宽度W1为2mm，槽下侧边沿与天线下侧边沿宽度W2为10mm，槽上侧边与天线上侧边沿宽度W3为 10mm；槽侧边与天线侧边最小宽度W6为2mm。此时，如图9所示，该天线的S11满足小于-10dB要求的频段数目少且带宽较窄。
超宽带天线两个槽内分别设置有枝节，每个枝节包含第一枝节和第二枝节，第一枝节一端与超宽带天线内侧端部连接，第二枝节一端与第一枝节另一端连接。
第一枝节由半短轴长为a3、半长轴长为b3的四分之一椭圆去除同一圆心位置的半短轴长为a4、半长轴长为b4的四分之一椭圆后剩余部分构成，其中，a3为45mm，b3为65mm，a4为44cm，b4为50mm，第一枝节与天线连接端宽度W4为1mm；如图10所示，加了第一枝节后，天线小于-10dB的频段数目增多且带宽增大。
第二枝节由半径为R的四分之一圆和半短轴长为a5、半长轴长为b5的四分之一椭圆去除同一圆心位置的半短轴长为a6、半长轴长为b6的四分之一椭圆后剩余部分以及L1×W5的长方形构成，其中，R为15mm，a5为35mm，b5为48mm，a6为20mm，b6为33mm，L1为15.5mm，W5为15mm。此时如图5所示，天线带宽进一步增大，达到本实用新型的目的。
如图3所示，超宽带天线包含上层辐射体1和下层介质基板2。上层辐射体1采用铜材质，下层介质基板2采用介电常数为4.4的FR-4环氧玻璃纤维板，使得该天线具有良好的辐射性能和较低的制作成本
整流电路为倍压整流电路。如图4所示，倍压整流电路包含电容C1、C2和二极管D1、D2，超宽带天线输出端一端与电容C1一端连接，电容C1另一端与二极管D1阴极和二极管D2阳极连接，二极管D2阴极与电容C2一端以及传感器输入端一端连接，超宽带天线输出端另一端与二极管D1阳极、电容C2另一端以及传感器输入端另一端连接。
图5是超宽带天线的S11参数折线图，即为天线的回波损耗参数。如图5所示可知，该天线的S11参数在-10dB以下的频带为0.8GHz-20GHz。在这频带内，该天线具有良好的阻抗匹配特性。
图6、图7、图8分别是超宽带天线在800MHz、1GHz和2.45GHz的xoz平面和yoz平面辐射方向图。由图6、7、8可知，在各个平面内本实用新型的超带宽天线都具有比较小的交叉极化，辐射特性较好。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型所作的举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种用于在线监测系统供能的超宽带天线能量采集系统，其特征在于：包含超宽带天线和整流电路，所述超宽带天线覆盖的频带范围为0.8GHz-20GHz；
所述超宽带天线为简单槽双极子天线，整体为W×L×H的长方体天线，每个槽由半短轴长为a1、半长轴长为b1的四分之一椭圆和半短轴长为a2、半长轴长为b2的四分之一椭圆以及两四分之一椭圆之间的矩形构成，其中，W为140mm，L为100mm，H为1mm，a1为38mm，b1和b2均为80mm，a2为10mm；天线下端两个槽相对位置设置有两条沿长度方向设置的间隙，间隙宽度g为0.2mm，两条间隙之间天线宽度W1为2mm，槽下侧边沿与天线下侧边沿宽度W2为10mm，槽上侧边与天线上侧边沿宽度W3为 10mm；槽侧边与天线侧边最小宽度W6为2mm；
超宽带天线两个槽内分别设置有枝节，每个枝节包含第一枝节和第二枝节，第一枝节一端与超宽带天线内侧端部连接，第二枝节一端与第一枝节另一端连接；
所述第一枝节由半短轴长为a3、半长轴长为b3的四分之一椭圆去除同一圆心位置的半短轴长为a4、半长轴长为b4的四分之一椭圆后剩余部分构成，其中，a3为45mm，b3为65mm，a4为44cm，b4为50mm，第一枝节与天线连接端宽度W4为1mm；
所述第二枝节由半径为R的四分之一圆和半短轴长为a5、半长轴长为b5的四分之一椭圆去除同一圆心位置的半短轴长为a6、半长轴长为b6的四分之一椭圆后剩余部分以及L1×W5的长方形构成，其中，R为15mm，a5为35mm，b5为48mm，a6为20mm，b6为33mm，L1为15.5mm，W5为15mm。
2.按照权利要求1所述的一种用于在线监测系统供能的超宽带天线能量采集系统，其特征在于：所述超宽带天线采集无线射频能量为在线监测系统中的传感器供能，无线射频信号来源包含数字集群基站和移动台、CDMA数字蜂窝基站、GSM900/1800、WLAN、WiMAX、TD-SCDMA以及TD-LTE。
3.按照权利要求1所述的一种用于在线监测系统供能的超宽带天线能量采集系统，其特征在于：所述超宽带天线包含上层辐射体和下层介质基板。
4.按照权利要求3所述的一种用于在线监测系统供能的超宽带天线能量采集系统，其特征在于：所述上层辐射体采用铜材质，下层介质基板采用介电常数为4.4的FR-4环氧玻璃纤维板。
5.按照权利要求1所述的一种用于在线监测系统供能的超宽带天线能量采集系统，其特征在于：所述整流电路为倍压整流电路。
6.按照权利要求5所述的一种用于在线监测系统供能的超宽带天线能量采集系统，其特征在于：所述倍压整流电路包含电容C1、C2和二极管D1、D2，超宽带天线输出端一端与电容C1一端连接，电容C1另一端与二极管D1阴极和二极管D2阳极连接，二极管D2阴极与电容C2一端以及传感器输入端一端连接，超宽带天线输出端另一端与二极管D1阳极、电容C2另一端以及传感器输入端另一端连接。
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