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wifi能量收集天線。

背景技術(shù)：

比較了目前主流的三種無線傳輸方式，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，如傳輸距離、傳輸功率、傳輸效率以及應(yīng)用范圍，發(fā)現(xiàn)電磁波無線傳輸方式具有為低功率傳感器供電的特點。

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wifi能量收集天線，該天線較其它天線而言擁有的更小的尺寸、相對較低的回?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，wifi能量收集天線，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)體和四個圓柱形孔洞，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0.10657λ，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(biāo)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)105°得到線段二，將線段二以直線為對稱軸作鏡面對稱得到線段三，線段二和線段三的交點為此點在直線上，將線段二和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，根據(jù)以下公式進行天線貼片形狀設(shè)計：

y＝0(0≤x≤2.5) (1)

y＝0(16.25≤x≤18) (10)

將由公式所得到的全部曲線依次首尾相連，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、線段二和線段三合并得到旋轉(zhuǎn)圖形一，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點為旋轉(zhuǎn)點，順時針依次旋轉(zhuǎn)90°、180°和270°，分別得到旋轉(zhuǎn)圖形二、旋轉(zhuǎn)圖形三和旋轉(zhuǎn)圖形四，旋轉(zhuǎn)圖形一、旋轉(zhuǎn)圖形二、旋轉(zhuǎn)圖形三和旋轉(zhuǎn)圖形四合并得到封閉圖形，將封閉圖形的圓形覆蓋面的半徑縮小到原來的0.529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；所述介質(zhì)基板上四個圓柱形孔洞的半徑均為0.5mm，四個圓柱形孔洞的圓心連線構(gòu)成邊長為22mm的正方形，該正方形上下邊與介質(zhì)基板上下側(cè)邊的垂直距離分別為2.6mm和5.3mm，正方形左右側(cè)邊與介質(zhì)基板左右兩側(cè)的垂直距離分別為3mm和5mm；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行儲存。

本發(fā)明的技術(shù)效果為：wifi能量收集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wifi能量收集天線結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是利用HFSS天線模擬仿真軟件模擬的wifi能量收集天線的回波損耗圖；

圖4是利用HFSS天線模擬仿真軟件模擬的wifi能量收集天線的輸入阻抗圖。

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、圓柱形孔洞，7、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wifi能量收集天線設(shè)計，在微帶天線設(shè)計時需要對wifi能量收集天線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wifi能量收集天線。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(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，wifi能量收集天線，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和四個圓柱形孔洞6，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7；所述介質(zhì)覆蓋層1的材料為RogersRO6002，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0.10657λ，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(biāo)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)105°得到線段二，將線段二以直線為對稱軸作鏡面對稱得到線段三，線段二和線段三的交點為此點在直線上，將線段二和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，根據(jù)以下公式進行天線貼片形狀設(shè)計：

y＝0(0≤x≤2.5) (1)

y＝0(16.25≤x≤18) (10)

將由公式所得到的全部曲線依次首尾相連，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、線段二和線段三合并得到旋轉(zhuǎn)圖形一，將旋轉(zhuǎn)圖形一以點為旋轉(zhuǎn)點，順時針依次旋轉(zhuǎn)90°、180°和270°，分別得到旋轉(zhuǎn)圖形二、旋轉(zhuǎn)圖形三和旋轉(zhuǎn)圖形四，旋轉(zhuǎn)圖形一、旋轉(zhuǎn)圖形二、旋轉(zhuǎn)圖形三和旋轉(zhuǎn)圖形四合并得到封閉圖形，將封閉圖形的圓形覆蓋面的半徑縮小到原來的0.529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；所述介質(zhì)基板2上四個圓柱形孔洞6的半徑均為0.5mm，四個圓柱形孔洞6的圓心連線構(gòu)成邊長為22mm的正方形，該正方形上下邊與介質(zhì)基板2上下側(cè)邊的垂直距離分別為2.6mm和5.4mm，正方形左右側(cè)邊與介質(zhì)基板2左右兩側(cè)的垂直距離分別為3mm和5mm；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16.5mm、16.5mm、13.5mm和13.5mm，與圓柱形金屬導(dǎo)體5相對的接地板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wifi能量收集天線的回波損耗圖，由圖可知，該wifi能量收集天線的回波損耗為-30dB，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wifi能量收集天線的輸入阻抗圖，由圖可知，該wifi能量收集天線在2.45GHz的輸入阻抗為50.32Ω，非常接近標(biāo)準(zhǔn)阻抗50Ω。

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)。