CN208986182U - 一种铁氧体加载的宽频带整流天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种铁氧体加载的宽频带整流天线，包括层叠的上层基板和下层基板；上层基板上开有两个第一圆形通孔，第一圆形通孔中嵌设有铁氧体圆片；上层基板上表面上设有馈电微带线和整流电路；上层基板下表面上设有第一圆形蚀刻金属层区域；下层基板上表面上设有第二圆形蚀刻金属层区域，第二圆形蚀刻金属层区域位于第一圆形蚀刻金属层区域正下方；下层基板上沿第二圆形蚀刻金属层区域外周开有多个圆形金属化通孔，构成基片集成波导腔体；下层基板下表面上蚀刻有辐射单元金属层，辐射单元金属层包括四个环状金属层，每个环状金属层的外部轮廓呈椭圆状。通过在整流天线中加载介电常数相对较高的低损耗铁氧体,降低天线工作频率，减小天线体积。

Description

一种铁氧体加载的宽频带整流天线

技术领域

本实用新型涉及一种铁氧体加载的宽频带整流天线。

背景技术

由于通信技术的发展，射频电磁波在人们周围大量充斥，射频电磁波相比于太阳、风等不受环境和时间因素的影响，是一种稳定的能量源；随着超低功耗芯片技术的越发成熟，传感器、MCU等器件功耗不断降低，收集周围环境中的射频电磁波能量转化成电能将逐渐成为一种有效可行的新型能源供应模式。接收天线先将周围射频能量接收下来，再通过整流电路转换为直流能量，接收天线和整流电路结合在一起叫整流天线。

由于人们周围有WIFI、2G、3G、4G等多种通信信号，未来还有5G信号，双频段、多频段和宽频段整流天线的研究受到了不少学者的关注。国内外不少专家学者研究了各种各样的整流天线，来满足不同的无线电磁能量传输和射频电磁波能量收集需要，例如，2014年，JuiHung Chou等人采用微带天线设计了一种 2.45GHz频段整流天线，天线的尺寸是100mm×100mm×3.8mm。2015年， M.Nie等人提出了一种基于接地共面波导GCPW的2.45GHz频段整流天线，该天线包括基于GCPW的整流电路和用GCPW来馈电的宽带缝隙天线，整体大小为128mm×135mm；并且，该整流天线为了增加天线增益，在距离天线0.18个波长处放了反射板，增加了天线的剖面高度和复杂性。2017年，郝宏刚等人采用对数周期交叉偶极子设计了一种整流天线，能工作在1.85GHz、2.15GHz和 2.45GHz三个频段，天线的面积是65mm×65mm。

通过目前已有文献来看，已有的整流天线还体积偏大，不利于实际使用在传感器等小型器件中。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种铁氧体加载的宽频带整流天线，解决现有技术中整流天线还体积偏大，不利于实际使用在传感器等小型器件中的技术问题。

本实用新型为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种铁氧体加载的宽频带整流天线，包括层叠固定连接的上层基板和下层基板；所述上层基板上开设有两个第一圆形通孔，第一圆形通孔中嵌设有铁氧体圆片；上层基板的上表面上设有馈电微带线和整流电路，微带线与整流电路相连；上层基板的下表面上设置有第一圆形蚀刻金属层区域；所述下层基板的上表面上设置有第二圆形蚀刻金属层区域，第二圆形蚀刻金属层区域位于第一圆形蚀刻金属层区域正下方，且尺寸相同；下层基板上沿第二圆形蚀刻金属层区域外周开设有多个圆形金属化通孔，构成基片集成波导腔体；下层基板的下表面上蚀刻有辐射单元金属层。

所述辐射单元金属层包括四个环状金属层，且四个环状金属层呈辐射状均匀分布，相邻环状金属层不连接，每个环状金属层的外部轮廓呈椭圆状；沿垂直下层基板下表面的方向观察，辐射单元金属层位于第二圆形蚀刻金属层区域投影的内部，且与第二圆形蚀刻金属层区域投影的中心重合。

在整流天线中通过加载介电常数相对较高的低损耗铁氧体，降低天线工作频率，从而实现天线的小型化。上层基板的上表面设有的微带线与印制在上表面的整流电路相连，整流电路将天线接收到的射频电信号转换为直流电。第一圆形蚀刻金属层区域和第二圆形蚀刻金属层区域紧贴，将能量从上层的微带线耦合到下层，辐射单元起着在宽频带内都能对外辐射电磁波作用，天线下层基板上通过四周圆形金属化通孔阵列形成的基片集成波导腔体增强天线增益。通过采用这样的天线结构，实现了体积相对更小的宽频带整流天线。天线在工作频率范围内辐射性能良好。

进一步改进，所述铁氧体圆片的厚度与第一圆形通孔的高度相同。

进一步改进，沿垂直上层基板上表面的方向观察，整流电路位于第一圆形蚀刻金属层区域投影的外部，以降低整流电路对通信的影响。

进一步改进，所述多个圆形金属化通孔沿第二圆形蚀刻金属层外周均匀设置，呈圆形阵列。

进一步改进，所述铁氧体圆片由介电常数相对较高的低损耗铁氧体制成。

进一步改进，所述沿垂直上层基板上表面的方向观察，每个铁氧体圆片的一部分均位于第一圆形蚀刻金属层区域投影的外部。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1)、针对现有的整流天线体积还偏大问题，通过在整流天线中加载介电常数相对较高的低损耗铁氧体,降低天线工作频率，减小天线体积。

2)、通过合理设计天线结构和铁氧体、整流电路摆放位置，实现电路集成化的小型整流天线。

3)、通过综合采用基片集成波导技术、交叉偶极子等技术，从而实现辐射性能良好的宽频带整流天线。该天线能宽频段工作，且在工作频段内垂直面方向图具有全向特性，具有低剖面、重量轻、增益高、易于和平面电路集成等优点，可以用于同时收集宽频带范围内移动通信和无线局域网等电磁波信号能量。

附图说明

图1为本实用新型的天线结构示意图。

图2为上层基板的上表面示意图。

图3为上层基板的下表面示意图。

图4为下层基板的上表面示意图。

图5为下层基板的下表面示意图。

图6为本实用新型的天线反射系数S11随频率变化图。

图7为本实用新型的天线增益随频率变化图。

图8为本实用新型的天线1.82GHz辐射方向图。

图9为本实用新型的天线2.45GHz辐射方向图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本实用新型实施例对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-5所述所示，铁氧体加载的宽频带整流天线，包括依次层叠设置的上层基板1和下层基板2。述上层基板上开设有两个第一圆形通孔，第一圆形通孔中嵌设有铁氧体圆片3；上层基板的上表面上设有馈电微带线4和整流电路，微带线4与整流电路相连；上层基板1的下表面上设置有第一圆形蚀刻金属层区域 5；所述下层基板2的上表面上设置有第二圆形蚀刻金属层区域6，第二圆形蚀刻金属层区域6位于第一圆形蚀刻金属层区域5正下方，且尺寸相同；下层基板 2上沿第二圆形蚀刻金属层区域外周开设有多个圆形金属化通孔8，构成基片集成波导腔体；下层基板2的下表面上蚀刻有辐射单元金属层7。

在整流天线中通过加载介电常数相对较高的低损耗铁氧体，降低天线工作频率，从而实现天线的小型化。上层基板的上表面设有的微带线与印制在上表面的整流电路相连，整流电路将天线接收到的射频电信号转换为直流电。第一圆形蚀刻金属层区域和第二圆形蚀刻金属层区域紧贴，将能量从上层的微带线耦合到下层，辐射单元起着在宽频带内都能对外辐射电磁波作用，天线下层基板上通过四周圆形金属化通孔阵列形成的基片集成波导腔体增强天线增益。通过采用这样的天线结构，实现了体积相对更小的宽频带整流天线。天线在工作频率范围内辐射性能良好。

所述铁氧体圆片3的厚度第一圆形通孔的高度相同。

沿垂直上层基板上表面的方向观察，整流电路位于第一圆形蚀刻金属层区域投影的外部，以降低整流电路对通信的影响。

所述辐射单元7金属层包括四个环状金属层，且四个环状金属层呈辐射状均匀分布，相邻环状金属层不连接，每个环状金属层的外部轮廓呈椭圆状；沿垂直下层基板下表面的方向观察，辐射单元金属层位于第二圆形蚀刻金属层区域投影的内部，且与第二圆形蚀刻金属层区域投影的中心重合。

所述多个圆形金属化通孔沿第二圆形蚀刻金属层外周均匀设置。

所述沿垂直上层基板上表面的方向观察，每个铁氧体圆片的一部分均位于第一圆形蚀刻金属层区域投影的外部。

本实用新型的各个尺寸参数相互影响制约，天线的排布及结构设计对天线的性能影响较大，实际应用中根据性能要求和安装条件的限制，需要对天线的性能参数进行综合研究，本实用新型经过对天线的尺寸、性能、结构排布等方面的权衡，最终得到了下述较佳的结构实施方式，由下述具体实施例的性能参数可见，本实用新型的结构具有显著的进步效果。

本实用新型的优选方案为：上层基板采用厚度为1.5mm的宽介电常数聚四氟乙烯玻璃布覆铜基板，下层基板采用厚度为0.5mm的宽介电常数聚四氟乙烯玻璃布覆铜基板，这两层基板的相对介电常数εr都为2.2，损耗角正切tanδ为 0.001。

天线上层基板的长宽和天线下层基板的长度L1、宽度W1相等，分别都为48mm 和48mm；微带线4的宽度W2为2.3mm。每个圆形金属化通孔的直径为2.2mm，相邻两个圆形金属化通孔的间距为4.5mm；第二圆形蚀刻金属层区域6和第一圆形蚀刻金属层区域5的半径R1等于20mm；天线下层下表面金属层蚀刻的椭圆形辐射单元的每个椭圆的长轴为长度R0为18mm，最大宽度W0为8mm。铁氧体圆片 3的半径等于9mm，厚度为1.5mm，采用微波钇铁石榴石(YIG)铁氧体(铁氧体的饱和磁化强度4πM_s＝1800Gs，铁氧体的线宽△H＝15Oe)。

图6给出了该铁氧体加载的宽频带整流天线的反射系数S11随频率变化的仿真曲线，图6中同时对比了同样尺寸下不加载铁氧体的椭圆形整流天线的S11 参数仿真曲线，证明当对应的S11小于-10dB时，铁氧体加载的宽频带整流天线工作在1.81～3.26GHz，不加载铁氧体的椭圆形整流天线工作在1.93～3.0GHz，铁氧体加载的宽频带整流天线具有更低的工作频率和更宽的工作频带，也就意味着相同频率下该天线尺寸更小。由该图可见，该宽频带天线可以用来接收工作频率处于该频段的常见移动通信信号和无线局域网信号，如中国移动的GSM1800 信号、中国联通的GSM1800信号、Wifi无线局域网信号、WiMAX无线局域网信号、中国电信/移动/联通的4G信号等。

图7给出了该天线的增益随频率变化图，如图所示可见该铁氧体加载的宽频带整流天线的最大增益在观察的频率范围内可以达到4.1dBi。同时，将该天线上层基板所有铁氧体去掉、让其它尺寸不变时得到的天线增益随频率变化曲线，对比这两个曲线，可见两种天线的增益差不多，低损耗铁氧体加载后对天线辐射性能基本没什么影响。

图8和图9给出了该铁氧体加载的宽频带整流天线在垂直面(垂直于天线的平面)和水平面辐射方向图，天线在1.82GHz、2.45GHz等工作频点在天线垂直面都具有准全向辐射特性。

本实用新型中未做特别说明的均为现有技术或者通过现有技术即可实现，而且本实用新型中所述具体实施案例仅为本实用新型的较佳实施案例而已，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本实用新型的技术范畴。

Claims (6)

1.一种铁氧体加载的宽频带整流天线，其特征在于，包括层叠固定连接的上层基板和下层基板；

所述上层基板上开设有两个第一圆形通孔，第一圆形通孔中嵌设有铁氧体圆片；上层基板的上表面上设有馈电微带线和整流电路，微带线与整流电路相连；上层基板的下表面上设置有第一圆形蚀刻金属层区域；

所述下层基板的上表面上设置有第二圆形蚀刻金属层区域，第二圆形蚀刻金属层区域位于第一圆形蚀刻金属层区域正下方，且尺寸相同；下层基板上沿第二圆形蚀刻金属层区域外周开设有多个圆形金属化通孔，构成基片集成波导腔体；下层基板的下表面上蚀刻有辐射单元金属层；

所述辐射单元金属层包括四个环状金属层，且四个环状金属层呈辐射状均匀分布，相邻环状金属层不连接，每个环状金属层的外部轮廓呈椭圆状；沿垂直下层基板下表面的方向观察，辐射单元金属层位于第二圆形蚀刻金属层区域投影的内部，且与第二圆形蚀刻金属层区域投影的中心重合。

2.根据权利要求1所述的铁氧体加载的宽频带整流天线，其特征在于，所述铁氧体圆片的厚度与第一圆形通孔的高度相同。

3.根据权利要求1或2所述的铁氧体加载的宽频带整流天线，其特征在于，沿垂直上层基板上表面的方向观察，整流电路位于第一圆形蚀刻金属层区域投影的外部。

4.根据权利要求3所述的铁氧体加载的宽频带整流天线，其特征在于，所述多个圆形金属化通孔沿第二圆形蚀刻金属层外周均匀设置，呈圆形阵列。

5.根据权利要求4所述的铁氧体加载的宽频带整流天线，其特征在于，所述铁氧体圆片由介电常数相对较高的低损耗铁氧体制成。

6.根据权利要求5所述的铁氧体加载的宽频带整流天线，其特征在于，所述沿垂直上层基板上表面的方向观察，每个铁氧体圆片的一部分均位于第一圆形蚀刻金属层区域投影的外部。