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)境中射頻能量的收集WiFi信號免電池裝置。

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)計合理的收集WiFi信號免電池裝置，該天線較其它天線而言擁有的更小的尺寸、相對較低的回撥損耗、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，收集WiFi信號免電池裝置，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，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0.1106557λ，其中λ＝120mm，λ為2.5GHz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與介質(zhì)基板上表面的中心點位置一致；所述金屬天線貼片的設(shè)計形狀及尺寸滿足如下要求，建立平面直角坐標系，將原點(0mm，0mm)作為起點，沿x軸正方向作出一條長為18mm的線段一，將線段一以點(18mm，0mm)作為旋轉(zhuǎn)點逆時針旋轉(zhuǎn)138°得到線段二，再沿線段二與x軸夾角為42°的方向，在坐標軸第四區(qū)間內(nèi)延長到原來的3倍得到延長線段二，該延長線段二以直線為對稱軸作鏡面對稱得到延長線段三，延長線段二和延長線段三的交點為此點在直線上，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(0mm，0mm)作為起點，沿x軸正方向作出一條長為2.5mm的線段，以B(2.5mm，-1.25mm)為第一個曲線的圓心，以A(2.5mm，0mm)為一端點，以B₁(3.75mm，-1.25mm)為另一端點，半徑r₁＝1.25mm，作出圓周角為90°，方向為向x軸及y軸正方向凸出的圓弧，以C(4.0625mm，-1.25mm)為第二個曲線的圓心，以B₁(3.75mm，-1.25mm)為一端點，以C₁(4.375mm，-1.25mm)為另一端點，半徑r₂＝0.3125mm，作出圓周角為180°，方向為沿y軸負方向凸出的圓弧，以D(4.6875mm，-1.25mm)為第三個曲線的圓心，以C₁(4.375mm，-1.25mm)為一端點，以D₁(5mm，-1.25mm)為另一端點，半徑r₃＝0.3125mm，作出圓周角為180°，方向為沿y軸正方向凸出的圓弧，以E(5.625mm，-1.25mm)為第四個曲線的圓心，以D₁(5mm，-1.25mm)為一端點，以E₁(6.25mm，-1.25mm)為另一端點，半徑r₄＝0.625mm，作出圓周角為180°，方向為沿y軸負方向凸出的圓弧，以F(7.5mm，-1.25mm)為第五個曲線的圓心，以E₁(6.25mm，-1.25mm)為一端點，以F₁(7.5mm，0mm)為另一端點，半徑r₅＝1.25mm，作出圓周角為90°，方向為向x軸負方向及y軸正方向凸出的圓弧，以G(7.5mm，-2.5mm)為第六個曲線的圓心，以F₁(7.5mm，0mm)為一端點，以G₁(10mm，-2.5mm)為另一端點，半徑r₆＝2.5mm，作出圓周角為90°，方向為向x軸及y軸正方向凸出的圓弧，以H(11.875mm，-2.5mm)為第七個曲線的圓心，以G₁(10mm，-2.5mm)為一端點，以H₁(13.75mm，-2.5mm)為另一端點，半徑r₇＝1.875mm，作出圓周角為180°，方向為向y軸負方向凸出的圓弧，以I(16.25mm，-2.5mm)為第八個曲線的圓心，以H₁(13.75mm，-2.5mm)為一端點，以I₁(16.25mm，0mm)為另一端點，半徑r₈＝2.5mm，作出圓周角為90°，方向為向x軸負方向及y軸正方向凸出的圓弧，以I₁(16.25mm，0mm)為一端點，b(18mm，0mm)為另一端點，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稱軸作鏡面對稱得到初始圖形二，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)圖形一以點為旋轉(zhuǎn)點，依次順時針旋轉(zhuǎn)24°、48°、72°、96°、120°、144°、168°、192°、216°、240°、264°、288°、312°和336°，得到旋轉(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0.233倍得到所需金屬天線貼片的設(shè)計形狀及尺寸，按照設(shè)計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16.6mm、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行儲存。

本發(fā)明的技術(shù)效果為：收集WiFi信號免電池裝置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是收集WiFi信號免電池裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是利用HFSS天線模擬仿真軟件模擬的收集WiFi信號免電池裝置的回波損耗圖；

圖4是利用HFSS天線模擬仿真軟件模擬的收集WiFi信號免電池裝置的增益圖。

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、圓孔。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明中的附圖，對本發(fā)明具體實施過程中的技術(shù)方案進行清楚、完整、具體的描述。

此發(fā)明的核心部分是收集WiFi信號免電池裝置設(shè)計，在微帶天線設(shè)計時需要對收集WiFi信號免電池裝置的金屬天線貼片的尺寸，介質(zhì)基板的尺寸、厚度進行理論上的估算，才能在模擬實驗的時候更加快速精確的找到適合特定頻率的收集WiFi信號免電池裝置。所以下面以矩形微帶天線為例，講解微帶天線各個數(shù)據(jù)參數(shù)的理論計算方法。

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為相對介電常數(shù)。

微帶天線介質(zhì)基板的相對有效介電常數(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行饋電，當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的標準阻抗。

如圖1-2所示，收集WiFi信號免電池裝置，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，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6；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0.1106557λ，其中λ＝120mm，λ為2.5GHz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的中心點與介質(zhì)基板2上表面的中心點位置一致；所述金屬天線貼片4的設(shè)計形狀及尺寸滿足如下要求，建立平面直角坐標系，將原點(0mm，0mm)作為起點，沿x軸正方向作出一條長為18mm的線段一，將線段一以點(18mm，0mm)作為旋轉(zhuǎn)點逆時針旋轉(zhuǎn)138°得到線段二，再沿線段二與x軸夾角為42°的方向，在坐標軸第四區(qū)間內(nèi)延長到原來的3倍得到延長線段二，該延長線段二以直線為對稱軸作鏡面對稱得到延長線段三，延長線段二和延長線段三的交點為此點在直線上，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(0mm，0mm)作為起點，沿x軸正方向作出一條長為2.5mm的線段，以B(2.5mm，-1.25mm)為第一個曲線的圓心，以A(2.5mm，0mm)為一端點，以B₁(3.75mm，-1.25mm)為另一端點，半徑r₁＝1.25mm，作出圓周角為90°，方向為向x軸及y軸正方向凸出的圓弧，以C(4.0625mm，-1.25mm)為第二個曲線的圓心，以B₁(3.75mm，-1.25mm)為一端點，以C₁(4.375mm，-1.25mm)為另一端點，半徑r₂＝0.3125mm，作出圓周角為180°，方向為沿y軸負方向凸出的圓弧，以D(4.6875mm，-1.25mm)為第三個曲線的圓心，以C₁(4.375mm，-1.25mm)為一端點，以D₁(5mm，-1.25mm)為另一端點，半徑r₃＝0.3125mm，作出圓周角為180°，方向為沿y軸正方向凸出的圓弧，以E(5.625mm，-1.25mm)為第四個曲線的圓心，以D₁(5mm，-1.25mm)為一端點，以E₁(6.25mm，-1.25mm)為另一端點，半徑r₄＝0.625mm，作出圓周角為180°，方向為沿y軸負方向凸出的圓弧，以F(7.5mm，-1.25mm)為第五個曲線的圓心，以E₁(6.25mm，-1.25mm)為一端點，以F₁(7.5mm，0mm)為另一端點，半徑r₅＝1.25mm，作出圓周角為90°，方向為向x軸負方向及y軸正方向凸出的圓弧，以G(7.5mm，-2.5mm)為第六個曲線的圓心，以F₁(7.5mm，0mm)為一端點，以G₁(10mm，-2.5mm)為另一端點，半徑r₆＝2.5mm，作出圓周角為90°，方向為向x軸及y軸正方向凸出的圓弧，以H(11.875mm，-2.5mm)為第七個曲線的圓心，以G₁(10mm，-2.5mm)為一端點，以H₁(13.75mm，-2.5mm)為另一端點，半徑r₇＝1.875mm，作出圓周角為180°，方向為向y軸負方向凸出的圓弧，以I(16.25mm，-2.5mm)為第八個曲線的圓心，以H₁(13.75mm，-2.5mm)為一端點，以I₁(16.25mm，0mm)為另一端點，半徑r₈＝2.5mm，作出圓周角為90°，方向為向x軸負方向及y軸正方向凸出的圓弧，以I₁(16.25mm，0mm)為一端點，b(18mm，0mm)為另一端點，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稱軸作鏡面對稱得到初始圖形二，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)圖形一以點為旋轉(zhuǎn)點，依次順時針旋轉(zhuǎn)24°、48°、72°、96°、120°、144°、168°、192°、216°、240°、264°、288°、312°和336°，得到旋轉(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0.233倍得到所需金屬天線貼片4的設(shè)計形狀及尺寸，按照設(shè)計形狀及尺寸裁剪得到金屬天線貼片4；與圓柱形金屬導(dǎo)體5相對的接地板3上圓孔6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行儲存。

圖3是利用HFSS天線模擬仿真軟件模擬的收集WiFi信號免電池裝置的回波損耗圖，由圖可知，該收集WiFi信號免電池裝置的回波損耗為-44dB，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收集WiFi信號免電池裝置的增益圖，由圖可知，該收集WiFi信號免電池裝置在2.5GHz的最大增益為3.6dB，方向性非常的穩(wěn)定。

以上實施例描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實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)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進均落入本發(fā)明保護的范圍內(nèi)。