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wifi能量吸收天線。
背景技術(shù):
比較了目前主流的三種無線傳輸方式,即電磁感應(yīng)方式、電磁波方式和磁耦合諧振方式。分析了這三種方式各自的優(yōu)缺點(diǎn),如傳輸距離、傳輸功率、傳輸效率以及應(yīng)用范圍,發(fā)現(xiàn)電磁波無線傳輸方式具有為低功率傳感器供電的特點(diǎn)。
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(jiǎn)單且設(shè)計(jì)合理的wifi能量吸收天線,該天線較其它天線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)問題采用如下技術(shù)方案,wifi能量吸收天線,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Rogers RO6002,介電常數(shù)εr=2.94,厚度d=0.51mm,長(zhǎng)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0.109λ,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)εr=10.2,厚度d=2.54mm,長(zhǎng)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(zhǎng)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)105°得到線段二,將線段二以直線為對(duì)稱軸作鏡面對(duì)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),沿x軸正方向作出一條長(zhǎng)為2.5mm的線段,以B(2.5mm,-1.25mm)為第一個(gè)曲線的圓心,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為對(duì)稱軸作鏡面對(duì)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)90°、180°和270°,分別得到旋轉(zhuǎn)圖形二、旋轉(zhuǎn)圖形三和旋轉(zhuǎn)圖形四,旋轉(zhuǎn)圖形一、旋轉(zhuǎn)圖形二、旋轉(zhuǎn)圖形三和旋轉(zhuǎn)圖形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的0.5405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16.59mm、16.59mm、13.41mm和13.41mm,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:wifi能量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wifi能量吸收天線結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3是利用HFSS天線模擬仿真軟件模擬的wifi能量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wifi能量吸收天線的3D增益圖。
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(duì)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wifi能量吸收天線設(shè)計(jì),在微帶天線設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)wifi能量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wifi能量吸收天線。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:
在(1)式中,c為光速,f0為禁帶中心頻率,εr為相對(duì)介電常數(shù)。
微帶天線介質(zhì)基板的相對(duì)有效介電常數(shù)εre為:
h表示介質(zhì)層厚度,為了降低表面波輻射對(duì)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:
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(zhǎng)度△L為:
則微帶天線貼片的長(zhǎng)度L為:
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(zhǎng)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,wifi能量吸收天線,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Rogers RO6002,介電常數(shù)εr=2.94,厚度d=0.51mm,長(zhǎng)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0.109λ,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)εr=10.2,厚度d=2.54mm,長(zhǎng)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(zhǎng)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)105°得到線段二,將線段二以直線為對(duì)稱軸作鏡面對(duì)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),沿x軸正方向作出一條長(zhǎng)為2.5mm的線段,以B(2.5mm,-1.25mm)為第一個(gè)曲線的圓心,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為對(duì)稱軸作鏡面對(duì)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)90°、180°和270°,分別得到旋轉(zhuǎn)圖形二、旋轉(zhuǎn)圖形三和旋轉(zhuǎn)圖形四,旋轉(zhuǎn)圖形一、旋轉(zhuǎn)圖形二、旋轉(zhuǎn)圖形三和旋轉(zhuǎn)圖形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的0.5405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16.59mm、16.59mm、13.41mm和13.41mm,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天線模擬仿真軟件模擬的wifi能量吸收天線的回波損耗圖,由圖可知,該wifi能量吸收天線的回波損耗為-23dB,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wifi能量吸收天線的3D增益圖,由圖可知,該wifi能量吸收天線在2.45GHz的最大增益為3.5dB,方向性非常穩(wěn)定。
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(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)。