本發(fā)明屬于電磁能量接收天線
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種用于接收環(huán)境中射頻能量的射頻高效吸收天線。
背景技術(shù)：
：在國內(nèi)，關(guān)于射頻無線能量有限空間內(nèi)的傳輸技術(shù)研究起步較晚，在科技迅猛發(fā)展的今天，隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步和科研水平的提高，越來越多的公司和科研機(jī)構(gòu)開始關(guān)注并開展這方面的研究，在有限空間內(nèi)進(jìn)行無線射頻能量的收集。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供了一種結(jié)構(gòu)簡單且設(shè)計(jì)合理的射頻高效吸收天線，該天線較其它天線而言擁有的更小的尺寸、相對較低的回?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)問題采用如下技術(shù)方案，射頻高效吸收天線，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RogersRO6002，介電常數(shù)εr＝2.94，厚度d＝0.51mm，長度和寬度均為30mm；所述金屬天線貼片的圓形覆蓋面的半徑為0.10787λ，其中λ＝122mm，λ為2.45GHz射頻的波長，厚度為0.02mm，材料為銅，所述介質(zhì)基板的材料為RogersRO6010，介電常數(shù)εr＝10.2，厚度d＝2.54mm，長度和寬度均為30mm，金屬天線貼片的中心點(diǎn)與介質(zhì)基板上表面的中心點(diǎn)位置一致；所述金屬天線貼片的設(shè)計(jì)形狀及尺寸滿足如下要求，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為18mm的線段一，將線段一以點(diǎn)(18mm，0mm)作為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°得到線段二，將線段二以直線為對稱軸作鏡面對稱得到線段三，線段二和線段三的交點(diǎn)為此點(diǎn)在直線上，再次將原點(diǎn)(0mm，0mm)作為起點(diǎn)，根據(jù)以下公式進(jìn)行天線貼片形狀設(shè)計(jì)：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+8.125x-16.40625-1.25(-1.5625≤y≤-1.25)(3.75≤x≤4.375)---(3)]]>y=-x2+9.375x-21.875-1.25(-1.25≤y≤-0.9375)(4.375≤x≤5)---(4)]]>y=-x2+11.25x-31.25-1.25(-1.875≤y≤-1.25)(5≤x≤6.25)---(5)]]>y=-x2+15x-54.6875-1.25(-1.25≤y≤0)(6.25≤x≤7.5)---(6)]]>y=-x2+15x-50-2.5(-2.5≤y≤0)(7.5≤x≤10)---(7)]]>y=-x2+23.75x-137.5-2.5(-5≤y≤-2.5)(10≤x≤13.75)---(8)]]>y=-x2+32.5x-257.8125-2.5(-2.5≤y≤0)(13.75≤x≤16.25)---(9)]]>y＝0(16.25≤x≤18)(10)將由公式所得到的全部曲線依次首尾相連，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為對稱軸作鏡面對稱得到初始圖形二，初始圖形一、初始圖形二、線段二和線段三合并得到旋轉(zhuǎn)圖形一，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針依次旋轉(zhuǎn)60°、120°、180°、240°和300°，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)圖形五和旋轉(zhuǎn)圖形六，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)圖形五和旋轉(zhuǎn)圖形六合并得到封閉圖形，將封閉圖形的圓形覆蓋面的半徑縮小到原來的0.44135倍得到所需金屬天線貼片的設(shè)計(jì)形狀及尺寸，按照設(shè)計(jì)形狀及尺寸裁剪得到金屬天線貼片；所述圓柱形金屬導(dǎo)體的一端與金屬天線貼片連接，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16.62mm、16.62mm、13.38mm和13.38mm，與圓柱形金屬導(dǎo)體相對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)行儲存。本發(fā)明的技術(shù)效果為：射頻高效吸收天線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。附圖說明圖1是金屬天線貼片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是射頻高效吸收天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是利用HFSS天線模擬仿真軟件模擬的射頻高效吸收天線的回波損耗圖；圖4是利用HFSS天線模擬仿真軟件模擬的射頻高效吸收天線的輸入阻抗圖。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，對本發(fā)明具體實(shí)施過程中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整、具體的描述。此發(fā)明的核心部分是射頻高效吸收天線設(shè)計(jì)，在微帶天線設(shè)計(jì)時(shí)需要對射頻高效吸收天線的金屬天線貼片的尺寸，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射頻高效吸收天線。所以下面以矩形微帶天線為例，講解微帶天線各個(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=c2f0(ϵr+12)-12---(1)]]>在(1)式中，c為光速，f0為禁帶中心頻率，εr為相對介電常數(shù)。微帶天線介質(zhì)基板的相對有效介電常數(shù)εre為：ϵre=ϵr+12+ϵr-12(1+12hW)-12---(2)]]>h表示介質(zhì)層厚度，為了降低表面波輻射對天線性能的影響，介質(zhì)基片的厚度應(yīng)該滿足一下的理論計(jì)算公式：h≤0.3c2πfuϵr---(3)]]>其中fu為微帶天線的工作的最高頻率。微帶天線的等效輻射縫隙長度△L為：ΔL=0.412h(ϵre+0.3)(W/h+0.264)(ϵre-0.258)(W/h+0.8)---(4)]]>則微帶天線貼片的長度L為：L=c2f01ϵre-2ΔL---(5)]]>接地板的尺寸Lg×Wg滿足下列理論公式Lg≥L+6h(6)Wg≥W+6h(7)矩形微帶天線用的是同軸線進(jìn)行饋電，當(dāng)確定了矩形貼片的長度和寬度后，一般在微帶天線中加入50Ω的標(biāo)準(zhǔn)阻抗。如圖1-2所示，射頻高效吸收天線，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RogersRO6002，介電常數(shù)εr＝2.94，厚度d＝0.51mm，長度和寬度均為30mm；所述金屬天線貼片4的圓形覆蓋面的半徑為0.10787λ，其中λ＝122mm，λ為2.45GHz射頻的波長，厚度為0.02mm，材料為銅，所述介質(zhì)基板2的材料為RogersRO6010，介電常數(shù)εr＝10.2，厚度d＝2.54mm，長度和寬度均為30mm，金屬天線貼片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；所述金屬天線貼片4的設(shè)計(jì)形狀及尺寸滿足如下要求，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為18mm的線段一，將線段一以點(diǎn)(18mm，0mm)作為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°得到線段二，將線段二以直線為對稱軸作鏡面對稱得到線段三，線段二和線段三的交點(diǎn)為此點(diǎn)在直線上，再次將原點(diǎn)(0mm，0mm)作為起點(diǎn)，根據(jù)以下公式進(jìn)行天線貼片形狀設(shè)計(jì)：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+8.125x-16.40625-1.25(-1.5625≤y≤-1.25)(3.75≤x≤4.375)---(3)]]>y=-x2+9.375x-21.875-1.25(-1.25≤y≤-0.9375)(4.375≤x≤5)---(4)]]>y=-x2+11.25x-31.25-1.25(-1.875≤y≤-1.25)(5≤x≤6.25)---(5)]]>y=-x2+15x-54.6875-1.25(-1.25≤y≤0)(6.25≤x≤7.5)---(6)]]>y=-x2+15x-50-2.5(-2.5≤y≤0)(7.5≤x≤10)---(7)]]>y=-x2+23.75x-137.5-2.5(-5≤y≤-2.5)(10≤x≤13.75)---(8)]]>y=-x2+32.5x-257.8125-2.5(-2.5≤y≤0)(13.75≤x≤16.25)---(9)]]>y＝0(16.25≤x≤18)(10)將由公式所得到的全部曲線依次首尾相連，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為對稱軸作鏡面對稱得到初始圖形二，初始圖形一、初始圖形二、線段二和線段三合并得到旋轉(zhuǎn)圖形一，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針依次旋轉(zhuǎn)60°、120°、180°、240°和300°，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)圖形五和旋轉(zhuǎn)圖形六，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)圖形五和旋轉(zhuǎn)圖形六合并得到封閉圖形，將封閉圖形的圓形覆蓋面的半徑縮小到原來的0.44135倍得到所需金屬天線貼片4的設(shè)計(jì)形狀及尺寸，按照設(shè)計(jì)形狀及尺寸裁剪得到金屬天線貼片4；所述圓柱形金屬導(dǎo)體5的一端與金屬天線貼片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16.62mm、16.62mm、13.38mm和13.38mm，與圓柱形金屬導(dǎo)體5相對的接地板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)行儲存。圖3是利用HFSS天線模擬仿真軟件模擬的射頻高效吸收天線的回波損耗圖，由圖可知，該射頻高效吸收天線的回波損耗為-26.64dB，比其它相同體積天線的回波損耗還要小，性能非常好。圖4是利用HFSS天線模擬仿真軟件模擬的射頻高效吸收天線的輸入阻抗圖，由圖可知，該射頻高效吸收天線在2.45GHz的輸入阻抗為54.7463Ω，非常接近標(biāo)準(zhǔn)阻抗50Ω。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)施例和說明書中描述的只是說明本發(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)。當(dāng)前第1頁1 2 3