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)境中射頻能量的高增益五角不等電磁能量收集裝置。

背景技術(shù)：

在智能建筑中，每個(gè)建筑物至少有上百個(gè)的傳感器節(jié)點(diǎn)分布于建筑體中的各個(gè)部位，用于監(jiān)測(cè)溫度、亮度、人流量等參數(shù)；通過布線為這些傳感器節(jié)點(diǎn)提供電源，其代價(jià)是十分昂貴的，而采用電池供電主要面臨的問題是往后如何判斷哪些節(jié)點(diǎn)的電池已耗盡并進(jìn)行更換，這在商業(yè)上是難以接受的，采用環(huán)境射頻能量收集技術(shù)輔以可充電電池則是其比較理想的供電方式。

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)合理的高增益五角不等電磁能量收集裝置，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，高增益五角不等電磁能量收集裝置，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)體和四個(gè)圓柱形孔洞，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0.10098λ，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)ε_r＝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，-2.5mm)作為起點(diǎn)，(13.75mm，-2.5mm)為另一端點(diǎn)沿x軸正方向做出一條長為13.75mm的線段一，以點(diǎn)(13.75mm，-2.5mm)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，將線段一沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)99°，與曲線方程的交點(diǎn)為H(14.3366mm，-6.20383mm)，以直線y＝-x為對(duì)稱軸作鏡面對(duì)稱得到點(diǎn)L(6.20383mm，-14.3366mm)，將線段一以直線y＝-x為對(duì)稱軸作鏡面對(duì)稱得到線段二，線段一和線段二的交點(diǎn)為分別連接點(diǎn)H(14.3366mm，-6.20383mm)、和L(6.20383mm，-14.3366mm)、得到線段HW和線段LW，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)

將由公式所得到的全部曲線依次首尾相連，得到初始圖形一，以直線y＝-x為對(duì)稱軸，將初始圖形一進(jìn)行鏡面對(duì)稱，得到初始圖形二，將線段HW、線段LW、初始圖形一和初始圖形二合并，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)針旋轉(zhuǎn)72°并整體縮小為原來的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形二，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)144°，得到旋轉(zhuǎn)圖形三，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)216°，得到旋轉(zhuǎn)圖形四，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)288°并整體縮小為原來的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形五，旋轉(zhuǎn)圖形一、旋轉(zhuǎn)圖形二、旋轉(zhuǎn)圖形三、旋轉(zhuǎn)圖形四和旋轉(zhuǎn)圖形五合并，得到封閉圖形，將封閉圖形的圓形覆蓋面半徑縮小為原來的0.776454倍得到所需金屬天線貼片的設(shè)計(jì)形狀及尺寸，按照該設(shè)計(jì)形狀及尺寸裁剪得到金屬天線貼片；所述介質(zhì)基板上四個(gè)圓柱形孔洞的半徑均為0.5mm，四個(gè)圓柱形孔洞的圓心連線構(gòu)成邊長為22mm的正方形，該正方形上下邊與介質(zhì)基板上下側(cè)邊的垂直距離分別為2.9mm和5.1mm，正方形左右側(cè)邊與介質(zhì)基板左右兩側(cè)的垂直距離分別為2mm和6mm；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16.57mm、16.57mm、13.43mm和13.43mm，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：高增益五角不等電磁能量收集裝置具有更低的回波損耗、良好的阻抗匹配和駐波以及較高的增益，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是高增益五角不等電磁能量收集裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是利用HFSS天線模擬仿真軟件模擬的高增益五角不等電磁能量收集裝置的回波損耗圖；

圖4是利用HFSS天線模擬仿真軟件模擬的高增益五角不等電磁能量收集裝置輸入阻抗圖。

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、圓柱形孔洞，7、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)明的核心部分是高增益五角不等電磁能量收集裝置設(shè)計(jì)，在微帶天線設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)高增益五角不等電磁能量收集裝置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高增益五角不等電磁能量收集裝置。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，ε_r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)ε_re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f_u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ΔL為：

則微帶天線貼片的長度L為：

接地板的尺寸L_g×W_g滿足下列理論公式

L_g≥L+6h (6)

W_g≥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，高增益五角不等電磁能量收集裝置，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和四個(gè)圓柱形孔洞6，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7；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0.10098λ，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Rogers RO6010，介電常數(shù)ε_r＝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，-2.5mm)作為起點(diǎn)，(13.75mm，-2.5mm)為另一端點(diǎn)沿x軸正方向做出一條長為13.75mm的線段一，以點(diǎn)(13.75mm，-2.5mm)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，將線段一沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)99°，與曲線方程的交點(diǎn)為H(14.3366mm，-6.20383mm)，以直線y＝-x為對(duì)稱軸作鏡面對(duì)稱得到點(diǎn)L(6.20383mm，-14.3366mm)，將線段一以直線y＝-x為對(duì)稱軸作鏡面對(duì)稱得到線段二，線段一和線段二的交點(diǎn)為分別連接點(diǎn)H(14.3366mm，-6.20383mm)、和L(6.20383mm，-14.3366mm)、得到線段HW和線段LW，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)

將由公式所得到的全部曲線依次首尾相連，得到初始圖形一，以直線y＝-x為對(duì)稱軸，將初始圖形一進(jìn)行鏡面對(duì)稱，得到初始圖形二，將線段HW、線段LW、初始圖形一和初始圖形二合并，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)針旋轉(zhuǎn)72°并整體縮小為原來的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形二，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)144°，得到旋轉(zhuǎn)圖形三，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)216°，得到旋轉(zhuǎn)圖形四，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)288°并整體縮小為原來的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形五，旋轉(zhuǎn)圖形一、旋轉(zhuǎn)圖形二、旋轉(zhuǎn)圖形三、旋轉(zhuǎn)圖形四和旋轉(zhuǎn)圖形五合并，得到封閉圖形，將封閉圖形的圓形覆蓋面半徑縮小為原來的0.776454倍得到所需金屬天線貼片4的設(shè)計(jì)形狀及尺寸，按照該設(shè)計(jì)形狀及尺寸裁剪得到金屬天線貼片4；所述介質(zhì)基板2上四個(gè)圓柱形孔洞6的半徑均為0.5mm，四個(gè)圓柱形孔洞6的圓心連線構(gòu)成邊長為22mm的正方形，該正方形上下邊與介質(zhì)基板2上下側(cè)邊的垂直距離分別為2.9mm和5.1mm，正方形左右側(cè)邊與介質(zhì)基板2左右兩側(cè)的垂直距離分別為2mm和6mm；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16.57mm、16.57mm、13.43mm和13.43mm，與圓柱形金屬導(dǎo)體5相對(duì)的接地板3上圓孔7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高增益五角不等電磁能量收集裝置的回波損耗圖，由圖可知，該高增益五角不等電磁能量收集裝置的回波損耗為-42.3dB，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高增益五角不等電磁能量收集裝置輸入阻抗圖，由圖可知，該高增益五角不等電磁能量收集裝置在2.45GHz的輸入阻抗為50.8Ω，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(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)。