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)境中射頻能量的電磁波能量收集系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：比較了目前主流的三種無(wú)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(wú)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(wèn)題是提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且設(shè)計(jì)合理的電磁波能量收集系統(tǒng)，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(wèn)題采用如下技術(shù)方案，電磁波能量收集系統(tǒng)，其特征在于包括由上到下尺寸一致且相互貼合的介質(zhì)基板和接地板，其中介質(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；所述金屬天線貼片的圓形覆蓋面的半徑為0.1091λ，其中λ＝121mm，λ為2.48GHz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RogersRO6010，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，-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(zhǎng)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?lè)较蛐D(zhuǎn)125°，與曲線方程的交點(diǎn)為H(15.901mm，-5.572mm)，以直線y＝-x為對(duì)稱軸作鏡面對(duì)稱得到點(diǎn)L(5.572mm，-15.901mm)，再沿線段一與x軸夾角為55°的方向，在坐標(biāo)軸第四區(qū)間內(nèi)延長(zhǎng)到原來(lái)的3倍，得到延長(zhǎng)線段二，將延長(zhǎng)線段二以直線y＝-x為對(duì)稱軸作鏡面對(duì)稱得到延長(zhǎng)線段三，延長(zhǎng)線段二和延長(zhǎng)線段三的交點(diǎn)為分別連接點(diǎn)H(15.901mm，-5.572mm)、和L(5.572mm，-15.901mm)、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)y=-x2+5x-4.6875-1.25(-1.25≤y≤0)(2.5≤x≤3.75)---(2)]]>y=-x2+10x-23.4375-1.25(-2.5≤y≤-1.25)(3.75≤x≤6.25)---(3)]]>y=-x2+15x-54.6875-1.25(-1.25≤y≤0)(6.25≤x≤7.5)---(4)]]>y=-x2+15x-50-2.5(-2.5≤y≤0)(7.5≤x≤10)---(5)]]>y=-x2+27.5x-175-2.5(-6.25≤y≤-5.572)(10≤x≤15.901)---(6)]]>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，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)20°并整體縮小為原來(lái)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)40°，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)60°并整體縮小為原來(lái)的0.8倍，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)80°，得到旋轉(zhuǎn)圖形五，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)100°并整體縮小為原來(lái)的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形六，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°，得到旋轉(zhuǎn)圖形七，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)140°并整體縮小為原來(lái)的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形八，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)160°，得到旋轉(zhuǎn)圖形九，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°并整體縮小為原來(lái)的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形十，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)200°，得到旋轉(zhuǎn)圖形十一，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)220°并整體縮小為原來(lái)的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形十二，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)240°，得到旋轉(zhuǎn)圖形十三，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)260°并整體縮小為原來(lái)的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形十四，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)280°，得到旋轉(zhuǎn)圖形十五，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)300°并整體縮小為原來(lái)的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形十六，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)320°，得到旋轉(zhuǎn)圖形十七，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)340°并整體縮小為原來(lái)的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形十八，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、旋轉(zhuǎn)圖形十四、旋轉(zhuǎn)圖形十五、旋轉(zhuǎn)圖形十六、旋轉(zhuǎn)圖形十七和旋轉(zhuǎn)圖形十八合并得到封閉圖形，將封閉圖形的圓形覆蓋面半徑縮小為原來(lái)的0.24377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16.5mm、16.5mm、13.5mm和13.5mm，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：電磁波能量收集系統(tǒng)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(shuō)明圖1是金屬天線貼片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是電磁波能量收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是利用HFSS天線模擬仿真軟件模擬的電磁波能量收集系統(tǒng)的回波損耗圖；圖4是利用HFSS天線模擬仿真軟件模擬的電磁波能量收集系統(tǒng)輸入阻抗圖。圖中：1、介質(zhì)基板，2、接地板，3、金屬天線貼片，4、圓柱形金屬導(dǎo)體，5、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)明的核心部分是電磁波能量收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在微帶天線設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)電磁波能量收集系統(tǒng)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電磁波能量收集系統(tǒng)。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(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：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(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：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(zhǎng)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(zhǎng)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(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，電磁波能量收集系統(tǒng)，包括由上到下尺寸一致且相互貼合的介質(zhì)基板1和接地板2，其中介質(zhì)基板1上貼附有金屬天線貼片3，介質(zhì)基板1的中部設(shè)有垂直貫穿介質(zhì)基板1的圓柱形金屬導(dǎo)體4，接地板2上設(shè)有與圓柱形金屬導(dǎo)體4底面同心的圓孔5；所述金屬天線貼片3的圓形覆蓋面的半徑為0.1091λ，其中λ＝121mm，λ為2.48GHz射頻的波長(zhǎng)，厚度為0.02mm，材料為銅，所述介質(zhì)基板1的材料為RogersRO6010，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3的中心點(diǎn)與介質(zhì)基板1上表面的中心點(diǎn)位置一致；所述金屬天線貼片3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(zhǎng)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?lè)较蛐D(zhuǎn)125°，與曲線方程的交點(diǎn)為H(15.901mm，-5.572mm)，以直線y＝-x為對(duì)稱軸作鏡面對(duì)稱得到點(diǎn)L(5.572mm，-15.901mm)，再沿線段一與x軸夾角為55°的方向，在坐標(biāo)軸第四區(qū)間內(nèi)延長(zhǎng)到原來(lái)的3倍，得到延長(zhǎng)線段二，將延長(zhǎng)線段二以直線y＝-x為對(duì)稱軸作鏡面對(duì)稱得到延長(zhǎng)線段三，延長(zhǎng)線段二和延長(zhǎng)線段三的交點(diǎn)為分別連接點(diǎn)H(15.901mm，-5.572mm)、和L(5.572mm，-15.901mm)、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)y=-x2+5x-4.6875-1.25(-1.25≤y≤0)(2.5≤x≤3.75)---(2)]]>y=-x2+10x-23.4375-1.25(-2.5≤y≤-1.25)(3.75≤x≤6.25)---(3)]]>y=-x2+15x-54.6875-1.25(-1.25≤y≤0)(6.25≤x≤7.5)---(4)]]>y=-x2+15x-50-2.5(-2.5≤y≤0)(7.5≤x≤10)---(5)]]>y=-x2+27.5x-175-2.5(-6.25≤y≤-5.572)(10≤x≤15.901)---(6)]]>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，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)20°并整體縮小為原來(lái)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)40°，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)60°并整體縮小為原來(lái)的0.8倍，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)80°，得到旋轉(zhuǎn)圖形五，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)100°并整體縮小為原來(lái)的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形六，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°，得到旋轉(zhuǎn)圖形七，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)140°并整體縮小為原來(lái)的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形八，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)160°，得到旋轉(zhuǎn)圖形九，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°并整體縮小為原來(lái)的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形十，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)200°，得到旋轉(zhuǎn)圖形十一，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)220°并整體縮小為原來(lái)的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形十二，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)240°，得到旋轉(zhuǎn)圖形十三，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)260°并整體縮小為原來(lái)的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形十四，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)280°，得到旋轉(zhuǎn)圖形十五，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)300°并整體縮小為原來(lái)的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形十六，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)320°，得到旋轉(zhuǎn)圖形十七，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)340°并整體縮小為原來(lái)的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形十八，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、旋轉(zhuǎn)圖形十四、旋轉(zhuǎn)圖形十五、旋轉(zhuǎn)圖形十六、旋轉(zhuǎn)圖形十七和旋轉(zhuǎn)圖形十八合并得到封閉圖形，將封閉圖形的圓形覆蓋面半徑縮小為原來(lái)的0.24377倍得到所需金屬天線貼片3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3；所述圓柱形金屬導(dǎo)體4的一端與金屬天線貼片3連接，圓柱形金屬導(dǎo)體4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4與金屬天線貼片3的連接處圓心與介質(zhì)基板1四條側(cè)邊的垂直距離分別為16.5mm、16.5mm、13.5mm和13.5mm，與圓柱形金屬導(dǎo)體4相對(duì)的接地板2上圓孔5的孔徑R＝1.9mm，所述圓柱形金屬導(dǎo)體4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電磁波能量收集系統(tǒng)的回波損耗圖，由圖可知，該電磁波能量收集系統(tǒng)的回波損耗為-37dB，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電磁波能量收集系統(tǒng)輸入阻抗圖，由圖可知，該電磁波能量收集系統(tǒng)在2.48GHz的輸入阻抗為52.1Ω，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(shuō)明書中描述的只是說(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)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3