專利名稱：太陽(yáng)能電池集成天線的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及貼片天線或微帶天線(patch antenna or Microstrip antenna)和太 陽(yáng)能電池領(lǐng)域，具體為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了貼片天線和太陽(yáng)能電池集成的裝置。
背景技術(shù)：
無(wú)線通訊利用電磁波在空間的傳輸實(shí)現(xiàn)通訊，無(wú)線通訊中天線用來(lái)向空間輻射和 接收電磁波。近年來(lái)無(wú)線通訊的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如GSM，WLAN等。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展全 球定位(GPQ，ZIGBEE，射頻標(biāo)簽(RFID)等技術(shù)的應(yīng)用會(huì)更加普及，這些應(yīng)用希望設(shè)備小型 化成本低廉，其中天線設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)小型化和降低成本的關(guān)鍵因素。例如RFID的構(gòu)成主要由 天線加芯片組成，當(dāng)前集成電路技術(shù)已經(jīng)使芯片體積變得極其微小。另外雖然無(wú)線通訊可 以帶給人們移動(dòng)通訊的便利，但也面臨移動(dòng)終端供電的問(wèn)題，目前移動(dòng)終端的供電主要依 靠可充電電池或一次性電池。而太陽(yáng)能電池直接利用太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換為電能，不受供電電源的 限制，清潔環(huán)保，利用太陽(yáng)能供電可以改善無(wú)線終端的供電問(wèn)題。例如有源RFID設(shè)備通常 內(nèi)部配有電池作為電源，如果電池耗盡則該RFID不能工作需要更換電池或直接更換新的 RFID。太陽(yáng)能電池的輸出功率與太陽(yáng)照射面積成正比，這就使太陽(yáng)能電池需要一定的體積， 同時(shí)無(wú)線終端設(shè)備也需要天線，這樣同時(shí)使用太陽(yáng)能電池和天線會(huì)增加無(wú)線終端的體積。 而在ZIGBEE和RFID領(lǐng)域終端節(jié)點(diǎn)的體積是至關(guān)重要的。在天線領(lǐng)域有偶極子天線、貼片天線、拋物面天線等多種形式，其中貼片天線占用 空間小便于與面狀承載物集成、容易形成陣列，而具備優(yōu)勢(shì)。如圖1所示的常用貼片天線結(jié) 構(gòu)包括地平面(Ground)，基底(Substrate)厚度h相對(duì)介電常數(shù)εΓ，貼片(Patch)長(zhǎng)L寬 W厚t，饋線(Feed)與貼片連接。太陽(yáng)能電池近年來(lái)獲得長(zhǎng)足發(fā)展，其中基于硅材料的單晶硅、多晶硅電池得到廣 泛應(yīng)用，基于各種化合物的薄膜型太陽(yáng)能電池也得到應(yīng)用。太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由前電極(Front Contact)，背電極(Back Contact)，η型半導(dǎo)體材料、ρ型半導(dǎo)體材 料構(gòu)成，光照從前電極入射，商用太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到10%甚至20%以上。為了利用太陽(yáng)能電池供電的同時(shí)減小天線的占用體積，美國(guó)專利US6395971公開(kāi) 了集成天線和太陽(yáng)能電池的裝置。該發(fā)明利用太陽(yáng)能電池作為天線貼片(Patch)，太陽(yáng)能 電池與天線基底和地平面結(jié)合在一起形成層疊結(jié)構(gòu)。饋電方式可以采用孔徑耦合饋電方式 (ApertureCouple Feeding)包括天線貼片層即太陽(yáng)能電池、基底層、帶孔徑的地平面層、饋 電微帶線網(wǎng)絡(luò)層。發(fā)明人對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)能電池作為天線單元O^tch)使用需要另 外增加基底層和地平面層會(huì)使裝置的體積變大，制作工藝復(fù)雜，不利于攜帶、安裝、制造。另 外天線單元的尺寸與天線的諧振頻率相關(guān)，而太陽(yáng)能電池的功率輸出也與電池的面積相 關(guān)，例如在高頻段天線單元的尺寸會(huì)變小從而導(dǎo)致太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換功率減小導(dǎo)致供電能 量不能滿足需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，發(fā)明了太陽(yáng)能電池與天線集成的裝置，具體 為一種集成太陽(yáng)能電池和貼片天線的裝置，該裝置包括太陽(yáng)能電池頂電極，貼片天 線單元(Patch)，太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體基底，地平面。該裝置具備以下特征在所述太陽(yáng)能電 池半導(dǎo)體基底內(nèi)部形成太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體基底N型區(qū)、P型區(qū)和高阻區(qū)，所述貼片天線單元 和太陽(yáng)能電池頂電極位于所述太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體基底上方，其中貼片天線單元位于所述高 阻區(qū)上方，太陽(yáng)能電池頂電極位于所述N型區(qū)上方。貼片天線和太陽(yáng)能電池共用所述地平本發(fā)明進(jìn)一步包括射頻饋電連接器，所述射頻饋電連接器連接貼片天線單元和 射頻信號(hào)端以及地平面，使貼片天線單元與地平面形成諧振回路。本發(fā)明進(jìn)一步的包括，太陽(yáng)能電池為PIN型太陽(yáng)能電池，其中太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體 基底中的I型區(qū)域作為高阻區(qū)。本發(fā)明更進(jìn)一步的包括在地平面底部附著電路板，在所述電路板底層附著電子 器件。本發(fā)明進(jìn)一步的包括采用孔徑耦合饋電方式(Aperture-coupled Feed)以所 述太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體基底高阻區(qū)作為貼片天線上層基底，在所述地平面上形成耦合孔，在 所述地平面下面附著電路板作為貼片天線下層基底，在所述電路板底層形成饋電微帶線， 同時(shí)電路板底層附著電子器件。一種太陽(yáng)能電池集成貼片天線的裝置，該裝置包括太陽(yáng)能電池頂電極，太陽(yáng)能電 池半導(dǎo)體基底，貼片天線基底，貼片天線單元，地平面。其中所述貼片天線單元位于所述貼 片天線基底上面，所述太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體基底包括N型區(qū)、P型區(qū)，所述太陽(yáng)能電池頂電極 位于所述N型區(qū)上面。太陽(yáng)能電池和貼片天線共用地平面。一種太陽(yáng)能電池集成貼片天線的裝置，該裝置包括貼片天線單元，貼片天線基 底，太陽(yáng)能電池頂電極，太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體基底，太陽(yáng)能電池地平面。其中在所述太陽(yáng)能電 池頂電極上面形成所述貼片天線基底，在所述貼片天線基底上形成所述貼片天線單元，利 用所述太陽(yáng)能電池的頂電極作為所述貼片天線的地平面。所述貼片天線基底和貼片天線單 元采用透明材料制作。本發(fā)明通過(guò)使天線與太陽(yáng)能電池集成，減少了裝置的體積，使貼片天線單元和太 陽(yáng)能電池頂電極尺寸不相關(guān)，有利于減少無(wú)線設(shè)備應(yīng)用太陽(yáng)能電池供電的體積，方便攜帶、安裝。


圖1貼片天線結(jié)構(gòu)示意2太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意3本發(fā)明裝置1側(cè)面結(jié)構(gòu)4本發(fā)明裝置1頂視結(jié)構(gòu)5本發(fā)明裝置2側(cè)面結(jié)構(gòu)6本發(fā)明裝置3側(cè)面結(jié)構(gòu)圖
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圖7本發(fā)明裝置4側(cè)面結(jié)構(gòu)8本發(fā)明裝置4頂視結(jié)構(gòu)9本發(fā)明裝置5側(cè)面結(jié)構(gòu)10本發(fā)明裝置6集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)11貼片天線參數(shù)關(guān)系曲線-方向性(Directivity) vs基底厚度(h/λ 0)圖12貼片天線參數(shù)關(guān)系曲線-基底厚度(h/ λ 0) vs效率(Efficiency) and帶寬 (Bandwith)
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明采用的具體實(shí)現(xiàn)方式本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，采用了新的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。如圖1所示的貼片天線基 本結(jié)構(gòu)和圖2所示的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)他們具備相似的結(jié)構(gòu)頂部由金屬或其他導(dǎo)體 構(gòu)成頂電極或貼片天線單元，中間為天線基底或太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體基底，其中太陽(yáng)能電池 半導(dǎo)體基底通常包括N型半導(dǎo)體區(qū)和P型半導(dǎo)體區(qū)，并形成PN結(jié)。底部都為地平面。利用 太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體基底作為天線的基底就可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池為基礎(chǔ)的貼片天線集成。 現(xiàn)有的常用的多晶硅、單晶硅、薄膜太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體材料特性不適合直接作為貼片天 線的基底材料，主要是因?yàn)樘?yáng)能電池用硅材料的電導(dǎo)率很低通常在10Q.cm左右，這么 低的電導(dǎo)率作為貼片天線基底材料會(huì)導(dǎo)致天線的發(fā)射效率大大降低而無(wú)法使用。下面結(jié)合 實(shí)施例具體說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法實(shí)現(xiàn)方式1 裝置1實(shí)現(xiàn)方式圖3為裝置1的側(cè)面結(jié)構(gòu)圖，包括10太陽(yáng)能電池頂電極，11太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體基 底的N型區(qū)，12太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體基底的P型區(qū)，13太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體基底的高阻區(qū)，14地 平面，15貼片天線單元O^tch)，16太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體基底，17射頻饋電連接器以上實(shí)現(xiàn)裝 置為了克服普通太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體基底材料不能作為天線基底材料的問(wèn)題，在制作太陽(yáng)能 電池過(guò)程中通過(guò)改變半導(dǎo)體基底材料的擴(kuò)散過(guò)程(Diffusion)，在太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體基底 16上形成如圖所示的N型、P型區(qū)(11，12)和高阻區(qū)(13)，高阻區(qū)可以通過(guò)在太陽(yáng)能電池 半導(dǎo)體基底材料特定區(qū)域注入特殊粒子，例如錳(Mn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在同一塊太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體 基底材料上形成N型區(qū)、P型區(qū)、高阻區(qū)，其中N型區(qū)和P型區(qū)形成PN節(jié)，光生載流子通過(guò) 太陽(yáng)能電池頂電極10與負(fù)載和地平面14形成電流回路。對(duì)于硅太陽(yáng)能電池，高阻區(qū)的電 阻率可達(dá)到IOK Ω. cm的水平，適合作為貼片天線的基底材料。高阻區(qū)13作為貼片天線的 基底，在13上面制作貼片天線單元(Patch) 15，高阻區(qū)的底部連接地平面14。射頻饋電連 接器17連接貼片天線單元15和射頻信號(hào)輸入端，射頻饋電連接器17底部連接地平面14。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)裝置1的頂部結(jié)構(gòu)如圖4所示包括10太陽(yáng)能電池頂電極，13太陽(yáng)能 電池基底材料的高阻區(qū)，15貼片天線單元O^tch)，17射頻饋電連接器。太陽(yáng)能電池頂電極環(huán)繞貼片天線單元，他們之間分別在寬度方向有VW的間隙，在 長(zhǎng)度方向有VL的間隙距離。貼片天線單元的尺寸為長(zhǎng)L寬W。下面以諧振頻率f, = 10GHZ為例說(shuō)明貼片天線參數(shù)W、L、VL、h、VW的取值，高 阻區(qū)的相對(duì)介電常數(shù)ε r = 11，基底厚度h = 500um,
根據(jù)諧振頻率計(jì)算寬度W
權(quán)利要求
1.一種集成太陽(yáng)能電池和貼片天線的裝置，該裝置包括太陽(yáng)能電池頂電極，貼片天 線單元(Patch)，太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體基底，地平面。該裝置具備以下特征在所述太陽(yáng)能電 池半導(dǎo)體基底內(nèi)部形成太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體基底N型區(qū)、P型區(qū)和高阻區(qū)，所述貼片天線單元 和太陽(yáng)能電池頂電極位于所述太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體基底上方，其中貼片天線單元位于所述高 阻區(qū)上方，太陽(yáng)能電池頂電極位于所述N型區(qū)上方。貼片天線和太陽(yáng)能電池共用所述地平 面。
2.如權(quán)力要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括射頻饋電連接器，所述射頻饋電連接器連接 貼片天線單元和射頻信號(hào)端以及地平面，使貼片天線單元與地平面形成諧振回路。
3 如權(quán)力要求1所述的裝置，所述貼片天線單元和太陽(yáng)能電池頂電極位于所述太陽(yáng)能 電池半導(dǎo)體基底上方，進(jìn)一步的，所述太陽(yáng)能電池頂電極包圍所述貼片天線單元，所述貼片 天線單元與所述太陽(yáng)能電池頂電極之間保留有間隙距離。
4.如權(quán)力要求1所述的裝置，更進(jìn)一步的，太陽(yáng)能電池為PIN型太陽(yáng)能電池，其中太陽(yáng) 能電池半導(dǎo)體基底中的I型區(qū)域作為高阻區(qū)。
5.如權(quán)力要求1，2所述的裝置，進(jìn)一步的包括在地平面底部附著電路板，在所述電路 板底層附著電子器件。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步的采用孔徑耦合饋電方式(Aperture-coupled Feed)以所述太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體基底高阻區(qū)作為貼片天線上層基底，在所述地平面上形成 耦合孔，在所述地平面下面附著電路板作為貼片天線下層基底，在所述電路板底層形成饋 電微帶線，同時(shí)電路板底層附著電子器件。
7.一種太陽(yáng)能電池集成貼片天線的裝置，該裝置包括太陽(yáng)能電池頂電極，太陽(yáng)能電 池半導(dǎo)體基底，貼片天線基底，貼片天線單元，地平面。其中所述貼片天線單元位于所述貼 片天線基底上面，所述太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體基底包括N型區(qū)、P型區(qū)，所述太陽(yáng)能電池頂電極 位于所述N型區(qū)上面。太陽(yáng)能電池和貼片天線共用地平面。
8.如權(quán)力要求7所述的裝置，進(jìn)一步包括射頻饋電連接器，所述射頻饋電連接器連 接貼片天線單元和射頻信號(hào)端以及地平面，使所述貼片天線單元與所述地平面形成諧振回 路。
9.一種太陽(yáng)能電池集成貼片天線的裝置，該裝置包括貼片天線單元，貼片天線基底， 太陽(yáng)能電池頂電極，太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體基底，太陽(yáng)能電池地平面。其中在所述太陽(yáng)能電池頂 電極上面形成所述貼片天線基底，在所述貼片天線基底上形成所述貼片天線單元，利用所 述太陽(yáng)能電池的頂電極作為所述貼片天線的地平面。所述貼片天線基底和貼片天線單元采 用透明材料制作。
10.如權(quán)力要求9所述的裝置，進(jìn)一步包括射頻饋電連接器，所述射頻饋電連接器連 接貼片天線單元和射頻信號(hào)端以及地平面，使所述貼片天線單元與所述地平面形成諧振回路。
全文摘要
本發(fā)明提供了太陽(yáng)能電池集成貼片天線的裝置，具體為利用太陽(yáng)能電池的一部分作為貼片天線的基底。貼片天線單元與太陽(yáng)能電池頂電極分離，可以單獨(dú)設(shè)計(jì)。太陽(yáng)能電池和貼片貼片天線共用地平面?；蛘呃锰?yáng)能電池的頂電極作為貼片天線地平面。本發(fā)明可以減小集成裝置的體積，減少設(shè)計(jì)限制。
文檔編號(hào)H01L31/042GK102097503SQ20101053760
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月9日
發(fā)明者董子源 申請(qǐng)人:李淑英