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定向型十角不等微帶天線。

背景技術(shù)：

隨著硅微電子技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)的功耗越來越低，出現(xiàn)了微瓦級(jí)功耗的電子系統(tǒng)，使得系統(tǒng)能夠從周圍環(huán)境中收集能量以供自身持續(xù)工作成為可能這種能夠從周圍環(huán)境中收集能量以供自身持續(xù)工作的系統(tǒng)稱為自供電(self－powering)或者自充電(self－rechargeable)、免電池(battery－less)電子微系統(tǒng)。

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)合理的高增益定向型十角不等微帶天線，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，高增益定向型十角不等微帶天線，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)有三條環(huán)形缺口及與圓柱形金屬導(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0.1089λ，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)132°得到線段二，再沿線段二與x軸夾角為48°的方向，在坐標(biāo)軸第四區(qū)間內(nèi)延長到原來的2倍得到延長線段二，該延長線段二以直線為對(duì)稱軸作鏡面對(duì)稱得到延長線段三，延長線段二和延長線段三的交點(diǎn)為此點(diǎn)在直線上，將延長線段二和延長線段三的相交線在直線兩側(cè)較短的線段部分分別刪去，再次將原點(diǎn)(0mm，0mm)作為起點(diǎn)，沿x軸正方向作出一條長為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、延長線段二和延長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)針旋轉(zhuǎn)36°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)72°，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)108°并整體縮小為原來的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)144°，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)180°并整體縮小為原來的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)216°，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)252°并整體縮小為原來的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)288°，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)324°并整體縮小為原來的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形十，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)圖形九和旋轉(zhuǎn)圖形十合并得到封閉圖形，將封閉圖形的圓形覆蓋面的半徑縮小到原來的0.307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；以接地板的底面中心為圓心，分別作內(nèi)環(huán)半徑為10mm、環(huán)寬為0.26mm的環(huán)形缺口一，內(nèi)環(huán)半徑為12mm、環(huán)寬為0.26mm的環(huán)形缺口二和內(nèi)環(huán)半徑為14mm、環(huán)寬為0.26mm的環(huán)形缺口三，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16.6mm、16.6mm、13.4mm和13.4mm，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：高增益定向型十角不等微帶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是高增益定向型十角不等微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是利用HFSS天線模擬仿真軟件模擬的高增益定向型十角不等微帶天線的回波損耗圖；

圖4是利用HFSS天線模擬仿真軟件模擬的高增益定向型十角不等微帶天線的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、環(huán)形缺口，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定向型十角不等微帶天線設(shè)計(jì)，在微帶天線設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)高增益定向型十角不等微帶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高增益定向型十角不等微帶天線。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，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△L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，高增益定向型十角不等微帶天線，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)有三條環(huán)形缺口6及與圓柱形金屬導(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0.1089λ，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，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)132°得到線段二，再沿線段二與x軸夾角為48°的方向，在坐標(biāo)軸第四區(qū)間內(nèi)延長到原來的2倍得到延長線段二，該延長線段二以直線為對(duì)稱軸作鏡面對(duì)稱得到延長線段三，延長線段二和延長線段三的交點(diǎn)為此點(diǎn)在直線上，將延長線段二和延長線段三的相交線在直線兩側(cè)較短的線段部分分別刪去，再次將原點(diǎn)(0mm，0mm)作為起點(diǎn)，沿x軸正方向作出一條長為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、延長線段二和延長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)針旋轉(zhuǎn)36°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)72°，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)108°并整體縮小為原來的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)144°，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)180°并整體縮小為原來的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)216°，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)252°并整體縮小為原來的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)288°，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)324°并整體縮小為原來的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形十，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)圖形九和旋轉(zhuǎn)圖形十合并得到封閉圖形，將封閉圖形的圓形覆蓋面的半徑縮小到原來的0.307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；以接地板3的底面中心為圓心，分別作內(nèi)環(huán)半徑為10mm、環(huán)寬為0.26mm的環(huán)形缺口一，內(nèi)環(huán)半徑為12mm、環(huán)寬為0.26mm的環(huán)形缺口二和內(nèi)環(huán)半徑為14mm、環(huán)寬為0.26mm的環(huán)形缺口三，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16.6mm、16.6mm、13.4mm和13.4mm，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定向型十角不等微帶天線的回波損耗圖，由圖可知，該高增益定向型十角不等微帶天線的回波損耗為-42dB，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定向型十角不等微帶天線的3D增益圖，由圖可知，該高增益定向型十角不等微帶天線在2.45GHz的最大增益為3.6dB，方向性非常的穩(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)。