本发明专利技术公开了一种高增益五角不等电磁能量收集装置，包括由上到下尺寸一致且相互贴合的介质覆盖层、介质基板和接地板，其中与介质覆盖层贴合一侧的介质基板上贴附有金属天线贴片，介质基板的中部设有垂直贯穿介质基板的圆柱形金属导体和四个圆柱形孔洞，接地板上设有与圆柱形金属导体底面同心的圆孔。本发明专利技术具有更低的回波损耗、良好的阻抗匹配和驻波比以及较高的增益，从而能够高效接收环境中的射频能量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电磁能量接收天线
，具体涉及一种用于接收环境中射频能量的高增益五角不等电磁能量收集装置。
技术介绍
在智能建筑中，每个建筑物至少有上百个的传感器节点分布于建筑体中的各个部位，用于监测温度、亮度、人流量等参数；通过布线为这些传感器节点提供电源，其代价是十分昂贵的，而采用电池供电主要面临的问题是往后如何判断哪些节点的电池已耗尽并进行更换，这在商业上是难以接受的，采用环境射频能量收集技术辅以可充电电池则是其比较理想的供电方式。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是提供了一种结构简单且设计合理的高增益五角不等电磁能量收集装置，该天线较其它天线而言拥有的更小的尺寸、相对较低的回拨损耗、良好的阻抗匹配和较高的增益。本专利技术为解决上述技术问题采用如下技术方案，高增益五角不等电磁能量收集装置，其特征在于包括由上到下尺寸一致且相互贴合的介质覆盖层、介质基板和接地板，其中与介质覆盖层贴合一侧的介质基板上贴附有金属天线贴片，介质基板的中部设有垂直贯穿介质基板的圆柱形金属导体和四个圆柱形孔洞，接地板上设有与圆柱形金属导体底面同心的圆孔；所述介质覆盖层的材料为RogersRO6002，介电常数εr＝2.94，厚度d＝0.51mm，长度和宽度均为30mm；所述金属天线贴片的圆形覆盖面的半径为0.10098λ，其中λ＝122mm，λ为2.45GHz射频的波长，厚度为0.02mm，材料为铜，所述介质基板的材料为RogersRO6010，介电常数εr＝10.2，厚度d＝2.54mm，长度和宽度均为30mm，金属天线贴片的中心点与介质基板上表面的中心点位置一致；所述金属天线贴片的设计形状及尺寸满足如下要求，建立平面直角坐标系，将原点(0mm，-2.5mm)作为起点，(13.75mm，-2.5mm)为另一端点沿x轴正方向做出一条长为13.75mm的线段一，以点(13.75mm，-2.5mm)为旋转点，将线段一沿逆时针方向旋转99°，与曲线方程的交点为H(14.3366mm，-6.20383mm)，以直线y＝-x为对称轴作镜面对称得到点L(6.20383mm，-14.3366mm)，将线段一以直线y＝-x为对称轴作镜面对称得到线段二，线段一和线段二的交点为分别连接点H(14.3366mm，-6.20383mm)、和L(6.20383mm，-14.3366mm)、得到线段HW和线段LW，再次将原点(0mm，0mm)作为起点根据以下公式进行天线贴片形状设计：y＝0(0≤x≤2.5)(1)将由公式所得到的全部曲线依次首尾相连，得到初始图形一，以直线y＝-x为对称轴，将初始图形一进行镜面对称，得到初始图形二，将线段HW、线段LW、初始图形一和初始图形二合并，得到旋转图形一，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转72°并整体缩小为原来的0.8倍，得到旋转图形二，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转144°，得到旋转图形三，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转216°，得到旋转图形四，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转288°并整体缩小为原来的0.8倍，得到旋转图形五，旋转图形一、旋转图形二、旋转图形三、旋转图形四和旋转图形五合并，得到封闭图形，将封闭图形的圆形覆盖面半径缩小为原来的0.776454倍得到所需金属天线贴片的设计形状及尺寸，按照该设计形状及尺寸裁剪得到金属天线贴片；所述介质基板上四个圆柱形孔洞的半径均为0.5mm，四个圆柱形孔洞的圆心连线构成边长为22mm的正方形，该正方形上下边与介质基板上下侧边的垂直距离分别为2.9mm和5.1mm，正方形左右侧边与介质基板左右两侧的垂直距离分别为2mm和6mm；所述圆柱形金属导体的一端与金属天线贴片连接，圆柱形金属导体的材料为铜，其底面半径r＝0.5mm，厚度d＝2.54mm，圆柱形金属导体与金属天线贴片的连接处圆心与介质基板四条侧边的垂直距离分别为16.57mm、16.57mm、13.43mm和13.43mm，与圆柱形金属导体相对的接地板上圆孔的孔径R＝1.9mm，所述圆柱形金属导体另一端的输出接口与能量管理电路相连，该能量管理电路用于将吸收到的能量进行储存。本专利技术的技术效果为：高增益五角不等电磁能量收集装置具有更低的回波损耗、良好的阻抗匹配和驻波以及较高的增益，从而能够高效接收环境中的射频能量。附图说明图1是金属天线贴片的结构示意图；图2是高增益五角不等电磁能量收集装置结构示意图；图3是利用HFSS天线模拟仿真软件模拟的高增益五角不等电磁能量收集装置的回波损耗图；图4是利用HFSS天线模拟仿真软件模拟的高增益五角不等电磁能量收集装置输入阻抗图。图中：1、介质覆盖层，2、介质基板，3、接地板，4、金属天线贴片，5、圆柱形金属导体，6、圆柱形孔洞，7、圆孔。具体实施方式下面将结合本专利技术中的附图，对本专利技术具体实施过程中的技术方案进行清楚、完整、具体的描述。此专利技术的核心部分是高增益五角不等电磁能量收集装置设计，在微带天线设计时需要对高增益五角不等电磁能量收集装置的金属天线贴片的尺寸，介质基板的尺寸、厚度进行理论上的估算，才能在模拟实验的时候更加快速精确的找到适合特定频率的高增益五角不等电磁能量收集装置。所以下面以矩形微带天线为例，讲解微带天线各个数据参数的理论计算方法。贴片尺寸L×W，贴片宽度W为：在(1)式中，c为光速，f0为禁带中心频率，εr为相对介电常数。微带天线介质基板的相对有效介电常数εre为：h表示介质层厚度，为了降低表面波辐射对天线性能的影响，介质基片的厚度应该满足一下的理论计算公式：其中fu为微带天线的工作的最高频率。微带天线的等效辐射缝隙长度ΔL为：则微带天线贴片的长度L为：接地板的尺寸Lg×Wg满足下列理论公式Lg≥L+6h(6)Wg≥W+6h(7)矩形微带天线用的是同轴线进行馈电，当确定了矩形贴片的长度和宽度后，一般在微带天线中加入50Ω的标准阻抗。如图1-2所示，高增益五角不等电磁能量收集装置，包括由上到下尺寸一致且相互贴合的介质覆盖层1、介质基板2和接地板3，其中与介质覆盖层1贴合一侧的介质基板2上贴附有金属天线贴片4，介质基板2的中部设有垂直贯穿介质基板2的圆柱形金属导体5和四个圆柱形孔洞6，接地板3上设有与圆柱形金属导体5底面同心的圆孔7；所述介质覆盖层1的材料为RogersRO6002，介电常数εr＝2.94，厚度d＝0.51mm，长度和宽度均为30mm；所述金属天线贴片4的圆形覆盖面的半径为0.10098λ，其中λ＝122mm，λ为2.45GHz射频的波长，厚度为0.02mm，材料为铜，所述介质基板2的材料为RogersRO6010，介电常数εr＝10.2，厚度d＝2.54mm，长度和宽度均为30mm，金属天线贴片4的中心点与介质基板2上表面的中心点位置一致；所述金属天线贴片4的设计形状及尺寸满足如下要求，建立平面直角坐标系，将原点(0mm，-2.5mm)作为起点，(13.75mm，-2.5mm)为另一端点沿x轴正方向做出一条长为13.75mm的线段一，以点(13.75mm，-2.5mm)为旋转点，将线段一沿逆时针方向旋转99°，与曲线方程的交点为H(14.3366mm，-6.20383mm)，以直线y＝-x为对称轴作镜面对称得到点L(6.203本文档来自技高网...
【技术保护点】
高增益五角不等电磁能量收集装置，其特征在于包括由上到下尺寸一致且相互贴合的介质覆盖层、介质基板和接地板，其中与介质覆盖层贴合一侧的介质基板上贴附有金属天线贴片，介质基板的中部设有垂直贯穿介质基板的圆柱形金属导体和四个圆柱形孔洞，接地板上设有与圆柱形金属导体底面同心的圆孔；所述介质覆盖层的材料为Rogers RO6002，介电常数εr＝2.94，厚度d＝0.51mm，长度和宽度均为30mm；所述金属天线贴片的圆形覆盖面的半径为0.10098λ，其中λ＝122mm，λ为2.45GHz射频的波长，厚度为0.02mm，材料为铜，所述介质基板的材料为Rogers RO6010，介电常数εr＝10.2，厚度d＝2.54mm，长度和宽度均为30mm，金属天线贴片的中心点与介质基板上表面的中心点位置一致；所述金属天线贴片的设计形状及尺寸满足如下要求，建立平面直角坐标系，将原点(0mm，‑2.5mm)作为起点，(13.75mm，‑2.5mm)为另一端点沿x轴正方向做出一条长为13.75mm的线段一，以点(13.75mm，‑2.5mm)为旋转点，将线段一沿逆时针方向旋转99°，与曲线方程的交点为H(14.3366mm，‑6.20383mm)，以直线y＝‑x为对称轴作镜面对称得到点L(6.20383mm，‑14.3366mm)，将线段一以直线y＝‑x为对称轴作镜面对称得到线段二，线段一和线段二的交点为分别连接点H(14.3366mm，‑6.20383mm)、和L(6.20383mm，‑14.3366mm)、得到线段HW和线段LW，再次将原点(0mm，0mm)作为起点根据以下公式进行天线贴片形状设计： y＝0(0≤x≤2.5) (1)y=-x2+5x-4.6875-1.25(-1.25≤y≤0)(2.5≤x≤3.75)---(2)]]>y=-x2+10x-23.4375-1.25(-2.5≤y≤-1.25)(3.75≤x≤6.25)---(3)]]>y=-x2+15x-54.6875-1.25(-1.25≤y≤0)(6.25≤x≤7.5)---(4)]]>y=-x2+15x-50-2.5(-2.5≤y≤0)(7.5≤x≤10)---(5)]]>y=-x2+27.5x-175-2.5(-6.25≤y≤-6.20383)(10≤x≤14.3366)---(6)]]>将由公式所得到的全部曲线依次首尾相连，得到初始图形一，以直线y＝‑x为对称轴，将初始图形一进行镜面对称，得到初始图形二，将线段HW、线段LW、初始图形一和初始图形二合并，得到旋转图形一，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转72°并整体缩小为原来的0.8倍，得到旋转图形二，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转144°，得到旋转图形三，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转216°，得到旋转图形四，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转288°并整体缩小为原来的0.8倍，得到旋转图形五，旋转图形一、旋转图形二、旋转图形三、旋转图形四和旋转图形五合并，得到封闭图形，将封闭图形的圆形覆盖面半径缩小为原来的0.776454倍得到所需金属天线贴片的设计形状及尺寸，按照该设计形状及尺寸裁剪得到金属天线贴片；所述介质基板上四个圆柱形孔洞的半径均为0.5mm，四个圆柱形孔洞的圆心连线构成边长为22mm的正方形，该正方形上下边与介质基板上下侧边的垂直距离分别为2.9mm和5.1mm，正方形左右侧边与介质基板左右两侧的垂直距离分别为2mm和6mm；所述圆柱形金属导体的一端与金属天线贴片连接，圆柱形金属导体的材料为铜，其底面半径r＝0.5mm，厚度d＝2.54mm，圆柱形金属导体与金属天线贴片的连接处圆心与介质基板四条侧边的垂直距离分别为16.57mm、16.57mm、13.43mm和13.43mm，与圆柱形金属导体相对的接地板上圆孔的孔径R＝1.9mm，所述圆柱形金属导体另一端的输出接口与能量管理电路相连，该能量管理电路用于将吸收到的能量进行储存。...
【技术特征摘要】
1.高增益五角不等电磁能量收集装置，其特征在于包括由上到下尺寸一致且相互贴合的介质覆盖层、介质基板和接地板，其中与介质覆盖层贴合一侧的介质基板上贴附有金属天线贴片，介质基板的中部设有垂直贯穿介质基板的圆柱形金属导体和四个圆柱形孔洞，接地板上设有与圆柱形金属导体底面同心的圆孔；所述介质覆盖层的材料为RogersRO6002，介电常数εr＝2.94，厚度d＝0.51mm，长度和宽度均为30mm；所述金属天线贴片的圆形覆盖面的半径为0.10098λ，其中λ＝122mm，λ为2.45GHz射频的波长，厚度为0.02mm，材料为铜，所述介质基板的材料为RogersRO6010，介电常数εr＝10.2，厚度d＝2.54mm，长度和宽度均为30mm，金属天线贴片的中心点与介质基板上表面的中心点位置一致；所述金属天线贴片的设计形状及尺寸满足如下要求，建立平面直角坐标系，将原点(0mm，-2.5mm)作为起点，(13.75mm，-2.5mm)为另一端点沿x轴正方向做出一条长为13.75mm的线段一，以点(13.75mm，-2.5mm)为旋转点，将线段一沿逆时针方向旋转99°，与曲线方程的交点为H(14.3366mm，-6.20383mm)，以直线y＝-x为对称轴作镜面对称得到点L(6.20383mm，-14.3366mm)，将线段一以直线y＝-x为对称轴作镜面对称得到线段二，线段一和线段二的交点为分别连接点H(14.3366mm，-6.20383mm)、和L(6.20383mm，-14.3366mm)、得到线段HW和线段LW，再次将原点(0mm，0mm)作为起点根据以下公式进行天线贴片形状设计：y＝0(0≤x≤2.5)(1)y=-x2+5x-4.6875-1.25(-1.25≤y≤0)(2.5≤x≤3.75)---(2)]]>y=-x2+10x-23.4375-1.25(-2.5≤y≤-1.25)(3.75≤x≤6.25)---(3)]]>y=-x2+15x...
【专利技术属性】
技术研发人员：施艳艳，景建伟，王萌，庞家斐，马鹏飞，李小方，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南;41
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