低损耗不等角变换电磁能量收集天线制造技术

本发明专利技术公开了一种低损耗不等角变换电磁能量收集天线，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、引向器和反射器，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，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低损耗不等角变换电磁能量收集天线。
技术介绍
比较了目前主流的三种无线传输方式，即电磁感应方式、电磁波方式和磁耦合谐振方式。分析了这三种方式各自的优缺点，如传输距离、传输功率、传输效率以及应用范围，发现电磁波无线传输方式具有为低功率传感器供电的特点。
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低损耗不等角变换电磁能量收集天线，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，低损耗不等角变换电磁能量收集天线，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、引向器和反射器，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，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0.0967λ，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1；以点(13.75mm，-2.5mm)为旋转点，将线段1沿逆时针方向旋转112.5°，与曲线方程的交点为H(15.185mm，-5.965mm)，以直线y＝-x为对称轴作镜面对称得到点L(5.965mm，-15.185mm)，再沿线段1与x轴夹角为67.5°的方向，在坐标轴第四区间内延长到原来的2倍，得到延长线段二，以直线y＝-x为对称轴作镜面对称得到延长线段三，延长线段二和延长线段三的交点为分别连接点H(15.185mm，-5.965mm)、和L(5.965mm，-15.185mm)、得到线段HW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，线段HW、线段LW、初始图形一和初始图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45°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90°，得到旋转图形三，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转135°并整体缩小为原来的0.8倍，得到旋转图形四，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转180°，得到旋转图形五，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转225°并整体缩小为原来的0.8倍，得到旋转图形六，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转270°，得到旋转图形七，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转315°并整体缩小为原来的0.8倍，得到旋转图形八，旋转图形一、旋转图形二、旋转图形三、旋转图形四、旋转图形五、旋转图形六、旋转图形七和旋转图形八合并，得到封闭图形，将封闭图形的圆形半径缩小为原来的0.3844倍得到所需金属天线贴片的设计形状及尺寸，按照设计形状及尺寸裁剪得到金属天线贴片；所述引向器为矩形金属条一，该矩形金属条一的长度和宽度分别为10mm和0.47mm，其长边与介质基板的上下侧边平行，短边与介质基板的左右侧边平行，中心点与介质基板上下侧边的垂直距离分别为28.6mm和1.4mm，中心点与介质基板左右侧边的垂直距离分别为15mm和15mm，所述反射器为矩形金属条二，该矩形金属条二的长度和宽度分别为18mm和0.46mm，其长边与介质基板的上下侧边平行，短边与介质基板的左右侧边平行，中心点与介质基板上下侧边的垂直距离分别为1.1mm和28.9mm，中心点与介质基板左右侧边的垂直距离分别为15mm和15mm；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。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：低损耗不等角变换电磁能量收集天线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。附图说明图1是金属天线贴片的结构示意图；图2是低损耗不等角变换电磁能量收集天线结构示意图；图3是利用HFSS天线模拟仿真软件模拟的低损耗不等角变换电磁能量收集天线的回波损耗图；图4是利用HFSS天线模拟仿真软件模拟的低损耗不等角变换电磁能量收集天线增益图。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、引向器，6、反射器，7、圆柱形金属导体，8、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低损耗不等角变换电磁能量收集天线设计，在微带天线设计时需要对低损耗不等角变换电磁能量收集天线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低损耗不等角变换电磁能量收集天线。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△L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，低损耗不等角变换电磁能量收集天线，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、引向器5和反射器6，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7，接地板3上设有与圆柱形金属导体7底面同心的圆孔8；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0.0967λ，其中λ＝122本文档来自技高网...

【技术保护点】
低损耗不等角变换电磁能量收集天线，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、引向器和反射器，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，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0.0967λ，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1；以点(13.75mm，‑2.5mm)为旋转点，将线段1沿逆时针方向旋转112.5°，与曲线方程的交点为H(15.185mm，‑5.965mm)，以直线y＝‑x为对称轴作镜面对称得到点L(5.965mm，‑15.185mm)，再沿线段1与x轴夹角为67.5°的方向，在坐标轴第四区间内延长到原来的2倍，得到延长线段二，以直线y＝‑x为对称轴作镜面对称得到延长线段三，延长线段二和延长线段三的交点为分别连接点H(15.185mm，‑5.965mm)、和L(5.965mm，‑15.185mm)、得到线段HW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≤-5.965)(10≤x≤15.185)---(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，线段HW、线段LW、初始图形一和初始图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45°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90°，得到旋转图形三，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转135°并整体缩小为原来的0.8倍，得到旋转图形四，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转180°，得到旋转图形五，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转225°并整体缩小为原来的0.8倍，得到旋转图形六，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转270°，得到旋转图形七，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转315°并整体缩小为原来的0.8倍，得到旋转图形八，旋转图形一、旋转图形二、旋转图形三、旋转图形四、旋转图形五、旋转图形六、旋转图形七和旋转图形八合并，得到封闭图形，将封闭图形的圆形半径缩小为原来的0.3844倍得到所需金属天线贴片的设计形状及尺寸，按照设计形状及尺寸裁剪得到金属天线贴片；所述引向器为矩形金属条一，该矩形金属条一的长度和宽度分别为10mm和0.47mm，其长边与介质基板的上下侧边平行，短边与介质基板的左右侧边平行，中心点与介质基板上下侧边的垂直距离分别为28.6mm和1.4mm，中心点与介质基板左右侧边的垂直距离分别为15mm和15mm，所述反射器为矩形金属条二，该矩形金属条二的长度和宽度分别为18mm和0.46mm，其长边与介质基板的上下侧边平行，短边与介质基板的左右侧边平行，中心点与介质基板上下侧边的垂直距离分别为1.1mm和28.9mm，中心点与介质基板左右侧边的垂直距离分别为15mm和15mm；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...

【技术特征摘要】
1.低损耗不等角变换电磁能量收集天线，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、引向器和反射器，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，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0.0967λ，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1；以点(13.75mm，-2.5mm)为旋转点，将线段1沿逆时针方向旋转112.5°，与曲线方程的交点为H(15.185mm，-5.965mm)，以直线y＝-x为对称轴作镜面对称得到点L(5.965mm，-15.185mm)，再沿线段1与x轴夹角为67.5°的方向，在坐标轴第四区间内延长到原来的2倍，得到延长线段二，以直线y＝-x为对称轴作镜面对称得到延长线段三，延长线段二和延长线段三的交点为分别连接点H(15.185mm，-5.965mm)、和L(5.965mm，-15.185mm)、得到线段HW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=-x...

【专利技术属性】
技术研发人员：施艳艳，王萌，景建伟，庞家斐，王来敬，袁秋林，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南;41