一种宽频带可调无线能量收集超材料天线制造技术

本发明专利技术公开了一种宽频带可调无线能量收集超材料天线，包括：矩形的双层线路板，双层线路板上层设置有至少一个矩形金属片状的辐射单元和一个矩形金属片状的发射台，双层线路板下层设置有金属接地板；辐射单元和发射台以几何中心位于双层线路板沿长边的中线的方式等距顺序排布，发射台的一边与双层线路板的一边重合设置；辐射单元和发射台之间连接有电容，电容的电容值可调；辐射单元的几何中心处通过金属化过孔连接至金属接地板；本发明专利技术具有宽频带和频段可调的特点，适用于环境中的微波无线能量采集，且在实现大范围无线电波能量收集的同时，还具有以下特点：结构简单、小型化特性、制造成本低及特别容易集成到其他的无线节点设备。

A broadband tunable wireless energy harvesting metamaterial antenna

The invention discloses a broadband tunable metamaterial antenna wireless energy collection, including: double line rectangular plate, double layer circuit board arranged on the upper part of the launch pad at least a radiation element rectangular metal flake and a rectangular metal sheet, double circuit board is provided with a lower metal ground floor; radiation and emission unit Taiwan is located in the geometric center of double circuit board along the long side of the middle way equidistant sequence, and the double side PCB pad on the side of a capacitor is connected between the coincidence set; and transmitting the radiation element and the capacitance of the capacitor can be adjusted; the geometric center of radiation unit through metal vias connected to the metal. The floor; the invention has the characteristics of wide frequency band and frequency adjustable, wireless microwave energy acquisition for the environment, and to achieve a wide range of radio wave energy collection with The utility model has the advantages of simple structure, small size, low manufacturing cost, and the utility model is particularly easy to integrate with other wireless node devices.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及天线
，特别是指一种宽频带可调无线能量收集超材料天线。
技术介绍
一直以来，由于受到电池容量的限制，无线传感器网络的供电问题是传感器节点设计过程中的一大挑战，这使得现有无线传感器网络生命周期长度十分有限。人们提出了无线电能传输的解决方案，根据传输机理的不同，无线电能传输可以分为电磁辐射式、电场耦合式、磁场耦合式以及超声波等方式，其中电磁辐射又包括无线电波和激光方式，磁场耦合式分为感应式和谐振式。无线电波方式因传输距离远、能量来源广泛、技术较为成熟等特点，得到了广泛的研究。在日常的周围环境中，包含着各类无线电信号，包括卫星电视、广播、2G、3G、4G移动通信、蓝牙、Wi-Fi和其他无线信号。专利技术人希望收集到这些无线电信号，并将其转换成电能，供无线传感器网络设备使用。这些无线电信号的频率范围集中在620MHz～5.8GHz，如果想要收集所有频段信号的能量，那么就需要给每个频段设计一个天线，这样会导致系统非常庞大。而使用传统的超宽带天线，效率又十分低下。经过调研，专利技术人发现在每一个环境中，都存在一个功率最强的频段，称之为主频段，其功率远大于其他频段。专门针对该频段设计的天线，比超宽带天线的效率更高。但是，主频段不是固定不变的，而是随着电磁环境的变化而改变，现有的天线不能实现跟随电磁环境的改变调节工作频段，实用性不佳。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种宽频带、频带可调、小型化、结构简单、易于集成的宽频带可调无线能量收集超材料天线。超材料是一种基于周期结构排列、具有特殊性能的人工材料，其中CRLH超材料是基于复合式左/右手传输线(CRLHTL，CompositeRight/Left-HandedTransmissionLine)结构设计的一种超材料结构，该传输线结构具有较高的带宽、较低的损耗以及较高的增益等优势，可使用传输线理论分析其特性。研究一段开放的复合式左/右手周期性传输线结构的一个周期单元，其等效电路模型如图1所示，其辐射特性取决于传播常数γ(γ＝α-jβ，α是衰减常数，β是相位常数)。可用k-β关系来描述该周期性传输结构。该等效电路模型的参数值取决于全波仿真中获得的S参数。通过等效电路模型中取得的参数值可描述其左手超材料特性。设一个周期结构的空间长度为d。在理想情况下，即α＝0，电路的ABCD矩阵为：e2jβd-2(1+Z(ω)·Y(ω))ejβd+1＝0其中的相位常数可表示为：这里的Z(ω)和Y(ω)分别是串联阻抗和并联导纳，其值取决于以下参数值。损耗参数α会对最终的色散曲线造成一定误差，但通常情况，α的值非常小，因此α/k0的值可忽略不计，其中k0是自由空间的波数。基于上述分析及上述的专利技术目的，本专利技术提供的一种宽频带可调无线能量收集超材料天线，包括：矩形的双层线路板，所述双层线路板上层设置有至少一个矩形金属片状的辐射单元和一个矩形金属片状的发射台，所述双层线路板下层设置有金属接地板；所述辐射单元和发射台以几何中心位于所述双层线路板沿长边的中线的方式等距顺序排布，所述发射台的一边与所述双层线路板的一边重合设置；所述辐射单元和发射台之间连接有电容，所述电容的电容值可调；所述辐射单元的几何中心处通过金属化过孔连接至所述金属接地板；所述辐射单元构成右手串联电感，所述辐射单元间的所述电容构成左手串联电容，所述辐射单元与金属接地板间的所述电容构成右手并联电容，所述金属化过孔构成左手并联电感，使所述宽频带可调无线能量收集超材料天线构成复合式左/右手传输线结构。在一些实施方式中，所述辐射单元设置有三个，且任意两个所述辐射单元之间均连接有一个所述电容。在一些实施方式中，所述辐射单元的长度为5.2mm，宽度为6mm；所述辐射单元之间、以及所述辐射单元与发射台之间的间距均为1mm。在一些实施方式中，所述发射台与所述辐射单元等宽，所述发射台的长度为2mm。在一些实施方式中，所述金属接地板的长度为25mm，宽度为10mm。在一些实施方式中，所述电容的容值调节范围为0.5pF～8pF，对应的所述宽频带可调无线能量收集超材料天线的频带可调范围为620MHz～5.8GHz。从上面所述可以看出，本专利技术提供的宽频带可调无线能量收集超材料天线，具有覆盖频带宽和频带可调的特点，适用于环境中的微波无线能量采集。本专利技术的所述天线在实现大范围无线电波能量收集的同时，还具有以下特点：结构简单、小型化特性、制造成本低及特别容易集成到其他的无线节点设备。经过实测验证，本专利技术的所述天线频带可调范围为620MHz～5.8GHz(回波损耗低于-10dB)。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为复合式左/右手传输线结构周期单元等效电路模型；图2为本专利技术实施例的宽频带可调无线能量收集超材料天线俯视图；图3为本专利技术实施例的宽频带可调无线能量收集超材料天线主视剖视图；图4为本专利技术实施例的宽频带可调无线能量收集超材料天线右视剖视图；图5为本专利技术实施例的宽频带可调无线能量收集超材料天线的等效电路示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。本专利技术实施例提供了一种宽频带可调无线能量收集超材料天线，包括：矩形的双层线路板，所述双层线路板上层设置有至少一个矩形金属片状的辐射单元和一个矩形金属片状的发射台，所述双层线路板下层设置有金属接地板；所述辐射单元和发射台以几何中心位于所述双层线路板沿长边的中线的方式等距顺序排布，所述发射台的一边与所述双层线路板的一边重合设置；所述辐射单元和发射台之间连接有电容；所述辐射单元的几何中心处通过金属化过孔连接至所述金属接地板。超材料(Metamaterial)天线是基于人工电磁材料“左手材料”结构设计的天线，复合式左/右手传输线是超材料的一种，该传输线具有较高的带宽、较低的损耗以及较高的增益等优势。同时，基于复合式左/右手传输线设计的宽频带可调超材料天线，其左/右手谐振频率分别取决于串/并联的电容/电感，通过改变电容电感实现中心谐振频率的调整，从而实现宽频带和可调的特性。最后，由于不受传统天线理论中尺寸与半波长比拟的制约，该天线易于小型化设计，易于与现有无线传感器网络系统设备集成。因此，基于超材料结构设计的天线，可实现上述目标并解决
技术介绍
中所述的现有技术中存在的技术问题，适用于无线电波能量收集。本专利技术实施例的所述天线，基于复合左/右手传输线(CRLHTL)模型设计，其谐振频率分为右手谐振频率和左手谐振频率。右手谐振频率由所述辐射单元构成的串联电感，以及所述辐射单元与金属接地板构成的并联电容决定；左手谐振频率由所述辐射单元与金属接地板构成的并联电感，以及所述辐射单元间或所述辐射单元与发射台间的电容构成的串联电容决定。参考图2、图3和图4，其中，图2为本专利技术实施例的宽频带可调无线能量收集超材料天线俯视结构图；图3为本专利技术实施例的宽频带可调无线能量收集超材料天线主视剖视图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽频带可调无线能量收集超材料天线，其特征在于，包括：矩形的双层线路板，所述双层线路板上层设置有至少一个矩形金属片状的辐射单元和一个矩形金属片状的发射台，所述双层线路板下层设置有金属接地板；所述辐射单元和发射台以几何中心位于所述双层线路板沿长边的中线的方式等距顺序排布，所述发射台的一边与所述双层线路板的一边重合设置；所述辐射单元和发射台之间连接有电容，所述电容的电容值可调；所述辐射单元的几何中心处通过金属化过孔连接至所述金属接地板；所述辐射单元构成右手串联电感，所述辐射单元间的所述电容构成左手串联电容，所述辐射单元与金属接地板间的所述电容构成右手并联电容，所述金属化过孔构成左手并联电感，使所述宽频带可调无线能量收集超材料天线构成复合式左/右手传输线结构。

【技术特征摘要】
1.一种宽频带可调无线能量收集超材料天线，其特征在于，包括：矩形的双层线路板，所述双层线路板上层设置有至少一个矩形金属片状的辐射单元和一个矩形金属片状的发射台，所述双层线路板下层设置有金属接地板；所述辐射单元和发射台以几何中心位于所述双层线路板沿长边的中线的方式等距顺序排布，所述发射台的一边与所述双层线路板的一边重合设置；所述辐射单元和发射台之间连接有电容，所述电容的电容值可调；所述辐射单元的几何中心处通过金属化过孔连接至所述金属接地板；所述辐射单元构成右手串联电感，所述辐射单元间的所述电容构成左手串联电容，所述辐射单元与金属接地板间的所述电容构成右手并联电容，所述金属化过孔构成左手并联电感，使所述宽频带可调无线能量收集超材料天线构成复合式左/右手传输线结构。2.根据权利要求1所述的宽频带可调无线能量收集超材...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴帆，刘元安，吴军，金师兴，张洪光，范文浩，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11