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電磁波能量吸收天線。

背景技術(shù)：

無(wú)線能量傳輸技術(shù)在家用電器、工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)療等行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用和市場(chǎng)前景，因而無(wú)線能量傳輸技術(shù)會(huì)帶來(lái)大量的經(jīng)濟(jì)利益，成為經(jīng)濟(jì)的新增長(zhǎng)點(diǎn)。隨著電子消費(fèi)類產(chǎn)品的迅速普及而且例如如今的智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和等耗電量大，隨時(shí)隨地充電的要求非常強(qiáng)烈，而且充電器攜帶并不方便，各種電器之間的充電接口并不一致，可以隨時(shí)隨地充電而且接口統(tǒng)一的充電平臺(tái)具有相當(dāng)大的市場(chǎng)潛力。因而小功率無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)具有的市場(chǎng)前景更加廣闊。

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)合理的高增益電磁波能量吸收天線，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，高增益電磁波能量吸收天線，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)有三條矩形環(huán)狀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(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0.10861λ，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)ε_r＝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)130°得到線段二，再沿線段二與x軸夾角為50°的方向，在坐標(biāo)軸第四區(qū)間內(nèi)延長(zhǎng)到原來(lái)的2倍，得到延長(zhǎng)線段二以直線為對(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)為此點(diǎn)在直線上，將延長(zhǎng)線段二和延長(zhǎng)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(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、延長(zhǎng)線段二和延長(zhǎng)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)40°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)圖形二以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)80°，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)120°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)160°并整體縮小為原來(lái)的0.9倍，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)200°并整體縮小為原來(lái)的0.9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)240°并整體縮小為原來(lái)的0.8倍，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)280°，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)320°并整體縮小為原來(lái)的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形九，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)圖形八和旋轉(zhuǎn)圖形九合并得到封閉圖形，將封閉圖形的圓形覆蓋面的半徑縮小到原來(lái)的0.32865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環(huán)中心，分別作內(nèi)環(huán)邊長(zhǎng)為10mm、環(huán)寬為0.35mm的矩形環(huán)狀缺口一，內(nèi)環(huán)邊長(zhǎng)為12mm、環(huán)寬為0.35mm的矩形環(huán)狀缺口二，內(nèi)環(huán)邊長(zhǎng)為14mm，環(huán)寬為0.35mm的矩形環(huán)狀缺口三，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16.63mm、16.63mm、13.37mm和13.37mm，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：高增益電磁波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(shuō)明

圖1是金屬天線貼片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是高增益電磁波能量吸收天線結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是利用HFSS天線模擬仿真軟件模擬的高增益電磁波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高增益電磁波能量吸收天線的增益圖。

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、矩形環(huán)狀缺口，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(guò)程中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整、具體的描述。

此發(fā)明的核心部分是高增益電磁波能量吸收天線設(shè)計(jì)，在微帶天線設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)高增益電磁波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高增益電磁波能量吸收天線。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，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(zhǎng)度△L為：

則微帶天線貼片的長(zhǎng)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(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，高增益電磁波能量吸收天線，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)有三條矩形環(huán)狀缺口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(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0.10861λ，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)ε_r＝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)130°得到線段二，再沿線段二與x軸夾角為50°的方向，在坐標(biāo)軸第四區(qū)間內(nèi)延長(zhǎng)到原來(lái)的2倍，得到延長(zhǎng)線段二以直線為對(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)為此點(diǎn)在直線上，將延長(zhǎng)線段二和延長(zhǎng)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(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)針旋轉(zhuǎn)40°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)圖形二以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)80°，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)120°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)160°并整體縮小為原來(lái)的0.9倍，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)200°并整體縮小為原來(lái)的0.9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)240°并整體縮小為原來(lái)的0.8倍，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)280°，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)320°并整體縮小為原來(lái)的0.8倍，得到旋轉(zhuǎn)圖形九，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)圖形八和旋轉(zhuǎn)圖形九合并得到封閉圖形，將封閉圖形的圓形覆蓋面的半徑縮小到原來(lái)的0.32865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的底面中心為環(huán)中心，分別作內(nèi)環(huán)邊長(zhǎng)為10mm、環(huán)寬為0.35mm的矩形環(huán)狀缺口一，內(nèi)環(huán)邊長(zhǎng)為12mm、環(huán)寬為0.35mm的矩形環(huán)狀缺口二，內(nèi)環(huán)邊長(zhǎng)為14mm，環(huán)寬為0.35mm的矩形環(huán)狀缺口三，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16.63mm、16.63mm、13.37mm和13.37mm，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電磁波能量吸收天線的回波損耗圖，由圖可知，該高增益電磁波能量吸收天線的回波損耗為-31dB，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電磁波能量吸收天線在XZ平面內(nèi)的增益圖，由圖可知，該高增益電磁波能量吸收天線在2.45GHz的最大增益為3.58dB，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(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)。