本發(fā)明屬于電磁能量接收天線(xiàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于接收環(huán)境中射頻能量的雙角疊加射頻能量接收天線(xiàn)。

背景技術(shù)：

無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)早在年前就已經(jīng)為人所知，早在以前，在進(jìn)行的無(wú)線(xiàn)能量傳輸實(shí)驗(yàn)就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在沒(méi)有導(dǎo)線(xiàn)的情況下點(diǎn)亮英里以外的氖氣照明燈。無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)臉?gòu)想在地球表面與電離層之間建立起低頻共振的電磁場(chǎng)，內(nèi)導(dǎo)體是整個(gè)地球，外導(dǎo)體是地球上空的電離層，電磁波依靠特殊的放大發(fā)射機(jī)來(lái)進(jìn)行發(fā)射，能量在整個(gè)低頻電磁場(chǎng)中傳遞。美國(guó)匹茲堡大學(xué)教授所領(lǐng)導(dǎo)的課題組對(duì)體內(nèi)植入式電子設(shè)備的無(wú)線(xiàn)供能進(jìn)行了深入研究，實(shí)驗(yàn)中在傳輸距離時(shí)傳輸效率可達(dá)19.5％。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且設(shè)計(jì)合理的雙角疊加射頻能量接收天線(xiàn)，該天線(xiàn)較其它天線(xiàn)而言擁有的更小的尺寸、相對(duì)較低的回?fù)軗p耗、良好的阻抗匹配和較高的增益。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案，雙角疊加射頻能量接收天線(xiàn)，其特征在于包括由上到下尺寸一致且相互貼合的介質(zhì)覆蓋層、介質(zhì)基板和接地板，其中與介質(zhì)覆蓋層貼合一側(cè)的介質(zhì)基板上貼附有金屬天線(xiàn)貼片，介質(zhì)基板的中部設(shè)有垂直貫穿介質(zhì)基板的圓柱形金屬導(dǎo)體，接地板上設(shè)有與圓柱形金屬導(dǎo)體底面同心的圓孔；所述介質(zhì)覆蓋層的材料為Rogers RO6002，介電常數(shù)ε_r＝2.94，厚度d＝0.51mm，長(zhǎng)度和寬度均為30mm；所述金屬天線(xiàn)貼片的圓形覆蓋面的半徑為0.1082λ，其中λ＝122mm，λ為2.45GHz射頻的波長(zhǎng)，厚度為0.02mm，材料為銅，所述介質(zhì)基板的材料為Rogers RO6010，介電常數(shù)ε_r＝10.2，厚度d＝2.54mm，長(zhǎng)度和寬度均為30mm，金屬天線(xiàn)貼片的中心點(diǎn)與介質(zhì)基板上表面的中心點(diǎn)位置一致；所述金屬天線(xiàn)貼片的設(shè)計(jì)形狀及尺寸滿(mǎn)足如下要求，建立平面直角坐標(biāo)系，將原點(diǎn)(0mm，0mm)作為起點(diǎn)，沿x軸正方向作出一條長(zhǎng)為18mm的線(xiàn)段一，將線(xiàn)段一以點(diǎn)(18mm，0mm)作為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)105°得到線(xiàn)段二，將線(xiàn)段二以直線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)軸作鏡面對(duì)稱(chēng)得到線(xiàn)段三，線(xiàn)段二和線(xiàn)段三的交點(diǎn)為此點(diǎn)在直線(xiàn)上，將線(xiàn)段二和線(xiàn)段三的相交線(xiàn)在直線(xiàn)兩側(cè)較短的線(xiàn)段部分分別刪去，再次將原點(diǎn)(0mm，0mm)作為起點(diǎn)，沿x軸正方向作出一條長(zhǎng)為2.5mm的線(xiàn)段，以B(2.5mm，-1.25mm)為第一個(gè)曲線(xiàn)的圓心，以A(2.5mm，0mm)為一端點(diǎn)，以B₁(3.75mm，-1.25mm)為另一端點(diǎn)，半徑r₁＝1.25mm，作出圓周角為90°，方向?yàn)橄騲軸及y軸正方向凸出的圓弧，以C(4.0625mm，-1.25mm)為第二個(gè)曲線(xiàn)的圓心，以B₁(3.75mm，-1.25mm)為一端點(diǎn)，以C₁(4.375mm，-1.25mm)為另一端點(diǎn)，半徑r₂＝0.3125mm，作出圓周角為180°，方向?yàn)檠貀軸負(fù)方向凸出的圓弧，以D(4.6875mm，-1.25mm)為第三個(gè)曲線(xiàn)的圓心，以C₁(4.375mm，-1.25mm)為一端點(diǎn)，以D₁(5mm，-1.25mm)為另一端點(diǎn)，半徑r₃＝0.3125mm，作出圓周角為180°，方向?yàn)檠貀軸正方向凸出的圓弧，以E(5.625mm，-1.25mm)為第四個(gè)曲線(xiàn)的圓心，以D₁(5mm，-1.25mm)為一端點(diǎn)，以E₁(6.25mm，-1.25mm)為另一端點(diǎn)，半徑r₄＝0.625mm，作出圓周角為180°，方向?yàn)檠貀軸負(fù)方向凸出的圓弧，以F(7.5mm，-1.25mm)為第五個(gè)曲線(xiàn)的圓心，以E₁(6.25mm，-1.25mm)為一端點(diǎn)，以F₁(7.5mm，0mm)為另一端點(diǎn)，半徑r₅＝1.25mm，作出圓周角為90°，方向?yàn)橄騲軸負(fù)方向及y軸正方向凸出的圓弧，以G(7.5mm，-2.5mm)為第六個(gè)曲線(xiàn)的圓心，以F₁(7.5mm，0mm)為一端點(diǎn)，以G₁(10mm，-2.5mm)為另一端點(diǎn)，半徑r₆＝2.5mm，作出圓周角為90°，方向?yàn)橄騲軸及y軸正方向凸出的圓弧，以H(11.875mm，-2.5mm)為第七個(gè)曲線(xiàn)的圓心，以G₁(10mm，-2.5mm)為一端點(diǎn)，以H₁(13.75mm，-2.5mm)為另一端點(diǎn)，半徑r₇＝1.875mm，作出圓周角為180°，方向?yàn)橄騳軸負(fù)方向凸出的圓弧，以I(16.25mm，-2.5mm)為第八個(gè)曲線(xiàn)的圓心，以H₁(13.75mm，-2.5mm)為一端點(diǎn)，以I₁(16.25mm，0mm)為另一端點(diǎn)，半徑r₈＝2.5mm，作出圓周角為90°，方向?yàn)橄騲軸負(fù)方向及y軸正方向凸出的圓弧，以I₁(16.25mm，0mm)為一端點(diǎn)，b(18mm，0mm)為另一端點(diǎn)，作一長(zhǎng)度為1.75mm的線(xiàn)段，在x軸和y軸平面內(nèi)得到初始圖形一，將初始圖形一以直線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)軸作鏡面對(duì)稱(chēng)得到初始圖形二，初始圖形一、初始圖形二、線(xiàn)段二和線(xiàn)段三合并得到旋轉(zhuǎn)圖形一，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)依次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)52°、104°、156°、208°、260°、312°、364°、416°、468°、520°、572°、624°、676°和728°分別得到旋轉(zhuǎn)圖形二、旋轉(zhuǎn)圖形三、旋轉(zhuǎn)圖形四、旋轉(zhuǎn)圖形五、旋轉(zhuǎn)圖形六、旋轉(zhuǎn)圖形七、旋轉(zhuǎn)圖形八、旋轉(zhuǎn)圖形九、旋轉(zhuǎn)圖形十、旋轉(zhuǎn)圖形十一、旋轉(zhuǎn)圖形十二、旋轉(zhuǎn)圖形十三和旋轉(zhuǎn)圖形十四，旋轉(zhuǎn)圖形一、旋轉(zhuǎn)圖形二、旋轉(zhuǎn)圖形三、旋轉(zhuǎn)圖形四、旋轉(zhuǎn)圖形五、旋轉(zhuǎn)圖形六、旋轉(zhuǎn)圖形七、旋轉(zhuǎn)圖形八、旋轉(zhuǎn)圖形九、旋轉(zhuǎn)圖形十、旋轉(zhuǎn)圖形十一、旋轉(zhuǎn)圖形十二、旋轉(zhuǎn)圖形十三和旋轉(zhuǎn)圖形十四合并得到封閉圖形，將封閉圖形的圓形覆蓋面的半徑縮小到原來(lái)的0.5301倍得到所需金屬天線(xiàn)貼片的設(shè)計(jì)形狀和尺寸，根據(jù)設(shè)計(jì)形狀與尺寸裁剪出金屬天線(xiàn)貼片；所述圓柱形金屬導(dǎo)體的一端與金屬天線(xiàn)貼片連接，圓柱形金屬導(dǎo)體的材料為銅，其底面半徑r＝0.5mm，厚度d＝2.54mm，圓柱形金屬導(dǎo)體與金屬天線(xiàn)貼片的連接處圓心與介質(zhì)基板四條側(cè)邊的垂直距離分別為16.6mm、16.6mm、13.4mm和13.4mm，與圓柱形金屬導(dǎo)體相對(duì)的接地板上圓孔的孔徑R＝1.9mm，所述圓柱形金屬導(dǎo)體另一端的輸出接口與能量管理電路相連，該能量管理電路用于將吸收到的能量進(jìn)行儲(chǔ)存。

本發(fā)明的技術(shù)效果為：雙角疊加射頻能量接收天線(xiàn)具有更低的回波損耗、良好的阻抗匹配和駐波比以及較高的增益，從而能夠高效接收環(huán)境中的射頻能量。

附圖說(shuō)明

圖1是金屬天線(xiàn)貼片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是雙角疊加射頻能量接收天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是利用HFSS天線(xiàn)模擬仿真軟件模擬的雙角疊加射頻能量接收天線(xiàn)的回波損耗圖；

圖4是利用HFSS天線(xiàn)模擬仿真軟件模擬的雙角疊加射頻能量接收天線(xiàn)的輸入阻抗圖。

圖中：1、介質(zhì)覆蓋層，2、介質(zhì)基板，3、接地板，4、金屬天線(xiàn)貼片，5、圓柱形金屬導(dǎo)體，6、圓孔。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明中的附圖，對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施過(guò)程中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整、具體的描述。

此發(fā)明的核心部分是雙角疊加射頻能量接收天線(xiàn)設(shè)計(jì)，在微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)雙角疊加射頻能量接收天線(xiàn)的金屬天線(xiàn)貼片的尺寸，介質(zhì)基板的尺寸、厚度進(jìn)行理論上的估算，才能在模擬實(shí)驗(yàn)的時(shí)候更加快速精確的找到適合特定頻率的雙角疊加射頻能量接收天線(xiàn)。所以下面以矩形微帶天線(xiàn)為例，講解微帶天線(xiàn)各個(gè)數(shù)據(jù)參數(shù)的理論計(jì)算方法。

貼片尺寸L×W，貼片寬度W為：

$W=\frac{c}{2f_0}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}\right)}^{-\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

在(1)式中，c為光速，f₀為禁帶中心頻率，ε_r為相對(duì)介電常數(shù)。

微帶天線(xiàn)介質(zhì)基板的相對(duì)有效介電常數(shù)ε_re為：

${\mathrm{\ϵ}}_{re}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{12h}{W})}^{-\frac{1}{2}}---\left(2\right)$

h表示介質(zhì)層厚度，為了降低表面波輻射對(duì)天線(xiàn)性能的影響，介質(zhì)基片的厚度應(yīng)該滿(mǎn)足一下的理論計(jì)算公式：

$h\≤\frac{0.3c}{2{\mathrm{\πf}}_u\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}---\left(3\right)$

其中f_u為微帶天線(xiàn)的工作的最高頻率。

微帶天線(xiàn)的等效輻射縫隙長(zhǎng)度△L為：

$\mathrm{\Δ}L=0.412h\frac{({\mathrm{\ϵ}}_{re}+0.3)(W/h+0.264)}{({\mathrm{\ϵ}}_{re}-0.258)(W/h+0.8)}---\left(4\right)$

則微帶天線(xiàn)貼片的長(zhǎng)度L為：

$L=\frac{c}{2f_0}\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{re}}}-2\mathrm{\Δ}L---\left(5\right)$

接地板的尺寸L_g×W_g滿(mǎn)足下列理論公式

L_g≥L+6h (6)

W_g≥W+6h (7)

矩形微帶天線(xiàn)用的是同軸線(xiàn)進(jìn)行饋電，當(dāng)確定了矩形貼片的長(zhǎng)度和寬度后，一般在微帶天線(xiàn)中加入50Ω的標(biāo)準(zhǔn)阻抗。

如圖1-2所示，雙角疊加射頻能量接收天線(xiàn)，包括由上到下尺寸一致且相互貼合的介質(zhì)覆蓋層1、介質(zhì)基板2和接地板3，其中與介質(zhì)覆蓋層1貼合一側(cè)的介質(zhì)基板2上貼附有金屬天線(xiàn)貼片4，介質(zhì)基板2的中部設(shè)有垂直貫穿介質(zhì)基板2的圓柱形金屬導(dǎo)體5，接地板3上設(shè)有與圓柱形金屬導(dǎo)體5底面同心的圓孔6；所述介質(zhì)覆蓋層1的材料為Rogers RO6002，介電常數(shù)ε_r＝2.94，厚度d＝0.51mm，長(zhǎng)度和寬度均為30mm；所述金屬天線(xiàn)貼片4的圓形覆蓋面的半徑為0.1082λ，其中λ＝122mm，λ為2.45GHz射頻的波長(zhǎng)，厚度為0.02mm，材料為銅，所述介質(zhì)基板2的材料為Rogers RO6010，介電常數(shù)ε_r＝10.2，厚度d＝2.54mm，長(zhǎng)度和寬度均為30mm，金屬天線(xiàn)貼片4的中心點(diǎn)與介質(zhì)基板2上表面的中心點(diǎn)位置一致；所述金屬天線(xiàn)貼片4的設(shè)計(jì)形狀及尺寸滿(mǎn)足如下要求，建立平面直角坐標(biāo)系，將原點(diǎn)(0mm，0mm)作為起點(diǎn)，沿x軸正方向作出一條長(zhǎng)為18mm的線(xiàn)段一，將線(xiàn)段一以點(diǎn)(18mm，0mm)作為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)105°得到線(xiàn)段二，將線(xiàn)段二以直線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)軸作鏡面對(duì)稱(chēng)得到線(xiàn)段三，線(xiàn)段二和線(xiàn)段三的交點(diǎn)為此點(diǎn)在直線(xiàn)上，將線(xiàn)段二和線(xiàn)段三的相交線(xiàn)在直線(xiàn)兩側(cè)較短的線(xiàn)段部分分別刪去，再次將原點(diǎn)(0mm，0mm)作為起點(diǎn)，沿x軸正方向作出一條長(zhǎng)為2.5mm的線(xiàn)段，以B(2.5mm，-1.25mm)為第一個(gè)曲線(xiàn)的圓心，以A(2.5mm，0mm)為一端點(diǎn)，以B₁(3.75mm，-1.25mm)為另一端點(diǎn)，半徑r₁＝1.25mm，作出圓周角為90°，方向?yàn)橄騲軸及y軸正方向凸出的圓弧，以C(4.0625mm，-1.25mm)為第二個(gè)曲線(xiàn)的圓心，以B₁(3.75mm，-1.25mm)為一端點(diǎn)，以C₁(4.375mm，-1.25mm)為另一端點(diǎn)，半徑r₂＝0.3125mm，作出圓周角為180°，方向?yàn)檠貀軸負(fù)方向凸出的圓弧，以D(4.6875mm，-1.25mm)為第三個(gè)曲線(xiàn)的圓心，以C₁(4.375mm，-1.25mm)為一端點(diǎn)，以D₁(5mm，-1.25mm)為另一端點(diǎn)，半徑r₃＝0.3125mm，作出圓周角為180°，方向?yàn)檠貀軸正方向凸出的圓弧，以E(5.625mm，-1.25mm)為第四個(gè)曲線(xiàn)的圓心，以D₁(5mm，-1.25mm)為一端點(diǎn)，以E₁(6.25mm，-1.25mm)為另一端點(diǎn)，半徑r₄＝0.625mm，作出圓周角為180°，方向?yàn)檠貀軸負(fù)方向凸出的圓弧，以F(7.5mm，-1.25mm)為第五個(gè)曲線(xiàn)的圓心，以E₁(6.25mm，-1.25mm)為一端點(diǎn)，以F₁(7.5mm，0mm)為另一端點(diǎn)，半徑r₅＝1.25mm，作出圓周角為90°，方向?yàn)橄騲軸負(fù)方向及y軸正方向凸出的圓弧，以G(7.5mm，-2.5mm)為第六個(gè)曲線(xiàn)的圓心，以F₁(7.5mm，0mm)為一端點(diǎn)，以G₁(10mm，-2.5mm)為另一端點(diǎn)，半徑r₆＝2.5mm，作出圓周角為90°，方向?yàn)橄騲軸及y軸正方向凸出的圓弧，以H(11.875mm，-2.5mm)為第七個(gè)曲線(xiàn)的圓心，以G₁(10mm，-2.5mm)為一端點(diǎn)，以H₁(13.75mm，-2.5mm)為另一端點(diǎn)，半徑r₇＝1.875mm，作出圓周角為180°，方向?yàn)橄騳軸負(fù)方向凸出的圓弧，以I(16.25mm，-2.5mm)為第八個(gè)曲線(xiàn)的圓心，以H₁(13.75mm，-2.5mm)為一端點(diǎn)，以I₁(16.25mm，0mm)為另一端點(diǎn)，半徑r₈＝2.5mm，作出圓周角為90°，方向?yàn)橄騲軸負(fù)方向及y軸正方向凸出的圓弧，以I₁(16.25mm，0mm)為一端點(diǎn)，b(18mm，0mm)為另一端點(diǎn)，作一長(zhǎng)度為1.75mm的線(xiàn)段，在x軸和y軸平面內(nèi)得到初始圖形一，將初始圖形一以直線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)軸作鏡面對(duì)稱(chēng)得到初始圖形二，初始圖形一、初始圖形二、線(xiàn)段二和線(xiàn)段三合并得到旋轉(zhuǎn)圖形一，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)依次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)52°、104°、156°、208°、260°、312°、364°、416°、468°、520°、572°、624°、676°和728°分別得到旋轉(zhuǎn)圖形二、旋轉(zhuǎn)圖形三、旋轉(zhuǎn)圖形四、旋轉(zhuǎn)圖形五、旋轉(zhuǎn)圖形六、旋轉(zhuǎn)圖形七、旋轉(zhuǎn)圖形八、旋轉(zhuǎn)圖形九、旋轉(zhuǎn)圖形十、旋轉(zhuǎn)圖形十一、旋轉(zhuǎn)圖形十二、旋轉(zhuǎn)圖形十三和旋轉(zhuǎn)圖形十四，旋轉(zhuǎn)圖形一、旋轉(zhuǎn)圖形二、旋轉(zhuǎn)圖形三、旋轉(zhuǎn)圖形四、旋轉(zhuǎn)圖形五、旋轉(zhuǎn)圖形六、旋轉(zhuǎn)圖形七、旋轉(zhuǎn)圖形八、旋轉(zhuǎn)圖形九、旋轉(zhuǎn)圖形十、旋轉(zhuǎn)圖形十一、旋轉(zhuǎn)圖形十二、旋轉(zhuǎn)圖形十三和旋轉(zhuǎn)圖形十四合并得到封閉圖形，將封閉圖形的圓形覆蓋面的半徑縮小到原來(lái)的0.5301倍得到所需金屬天線(xiàn)貼片4的設(shè)計(jì)形狀和尺寸，根據(jù)設(shè)計(jì)形狀與尺寸裁剪出金屬天線(xiàn)貼片4；所述圓柱形金屬導(dǎo)體5的一端與金屬天線(xiàn)貼片4連接，圓柱形金屬導(dǎo)體5的材料為銅，其底面半徑r＝0.5mm，厚度d＝2.54mm，圓柱形金屬導(dǎo)體5與金屬天線(xiàn)貼片4的連接處圓心與介質(zhì)基板2四條側(cè)邊的垂直距離分別為16.6mm、16.6mm、13.4mm和13.4mm，與圓柱形金屬導(dǎo)體5相對(duì)的接地板3上圓孔6的孔徑R＝1.9mm，所述圓柱形金屬導(dǎo)體5另一端的輸出接口與能量管理電路相連，該能量管理電路用于將吸收到的能量進(jìn)行儲(chǔ)存。

圖3是利用HFSS天線(xiàn)模擬仿真軟件模擬的雙角疊加射頻能量接收天線(xiàn)的回波損耗圖，由圖可知，該雙角疊加射頻能量接收天線(xiàn)的回波損耗為-43dB，比其它相同體積天線(xiàn)的回波損耗還要小，性能非常好。

圖4是利用HFSS天線(xiàn)模擬仿真軟件模擬的雙角疊加射頻能量接收天線(xiàn)的輸入阻抗圖，由圖可知，該雙角疊加射頻能量接收天線(xiàn)在2.45GHz的輸入阻抗為51.2Ω，非常接近標(biāo)準(zhǔn)50Ω的輸入阻抗。

以上實(shí)施例描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明原理的范圍下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)均落入本發(fā)明保護(hù)的范圍內(nèi)。