刻蝕螺旋地的仿局域表面等離激元超材料亞波長(zhǎng)整流天線(xiàn)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種刻蝕螺旋地的仿局域表面等離激元超材料亞波長(zhǎng)整流天線(xiàn)，由上至下依次包括刻槽金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)，上層介質(zhì)層，微帶線(xiàn)金屬貼片，下層介質(zhì)層和刻蝕螺旋結(jié)構(gòu)的金屬地板；所述刻槽金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)，上層介質(zhì)層，微帶線(xiàn)金屬貼片，下層介質(zhì)層和金屬地板之間相互貼合。本發(fā)明具有尺寸?。▉啿ㄩL(zhǎng)）、重量輕、成本低、增益較高等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)能量收集系統(tǒng)，為WSN和RFID等電子設(shè)備供電。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
刻蝕螺旋地的仿局域表面等離激元超材料亞波長(zhǎng)整流天線(xiàn)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種刻蝕螺旋地的仿局域表面等離激元超材料亞波長(zhǎng)整流天線(xiàn)，屬于新型人工電磁材料、能量收集與回收技術(shù)領(lǐng)域，該整流天線(xiàn)可應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、射頻識(shí)別(RFID)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]作為物聯(lián)網(wǎng)的兩大核心技術(shù)，射頻識(shí)別(RFID)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)已得到國(guó)際上學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的高度關(guān)注，各國(guó)政府部門(mén)亦積極推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。WSN和RFID等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域:如國(guó)防安全、空間探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。RFID、WSN節(jié)點(diǎn)分布范圍廣、數(shù)量多、或工作于不可及的特殊環(huán)境中，無(wú)線(xiàn)能量供給技術(shù)是延長(zhǎng)其生命周期、拓寬應(yīng)用范圍的關(guān)鍵技術(shù)。無(wú)線(xiàn)能量收集技術(shù)回收利用自由空間的電磁能量，將其轉(zhuǎn)換成直流能量為電子設(shè)備供電。環(huán)境電磁能量存在功率密度低且變化范圍寬(-27?10dBm/m2)、頻帶多等特點(diǎn)。因此，收集天線(xiàn)能夠接收的功率往往較低。而在低微功率輸入的情況下，整流電路的效率會(huì)急劇下降(低于10%)，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。為了有效利用空間任意電磁能量，收集天線(xiàn)需要同時(shí)滿(mǎn)足較高增益、多頻帶和較大的半功率波瓣寬度等指標(biāo)。而常規(guī)天線(xiàn)的帶寬和增益決定于它的幾何結(jié)構(gòu)及尺寸，較高增益往往意味著較大尺寸。這時(shí)相比于整流電路、能量管理和存儲(chǔ)、傳感器等模塊，收集天線(xiàn)的尺寸過(guò)于龐大，對(duì)于具有成百上千節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，這種龐大的天線(xiàn)是不切實(shí)際的。
[0003]超材料(新型人工電磁材料)是電磁學(xué)中新興的研究領(lǐng)域，由一系列設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)單元在亞波長(zhǎng)尺度上按照一定規(guī)律排列構(gòu)成。通過(guò)改變單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即可改變超材料的本構(gòu)關(guān)系，為人工控制電磁傳播提供了極大的便利。近些年超材料得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，在天線(xiàn)和微波器件等方面都有廣泛的應(yīng)用。基于仿表面等離激元超材料能夠在低頻段實(shí)現(xiàn)電磁波的亞波長(zhǎng)束縛，從而實(shí)現(xiàn)小型化、集成化的微波器件和天線(xiàn)。本發(fā)明提出了一種刻蝕螺旋地的仿局域表面等離激元超材料亞波長(zhǎng)整流天線(xiàn)，具有尺寸小(亞波長(zhǎng))、重量輕、成本低、增益較高等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)能量收集系統(tǒng)，為WSN和RFID等電子設(shè)備供電。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種刻蝕螺旋地的仿局域表面等離激元超材料亞波長(zhǎng)整流天線(xiàn)。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種刻蝕螺旋地的仿局域表面等離激元超材料亞波長(zhǎng)整流天線(xiàn)，由上至下依次包括刻槽金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)，上層介質(zhì)層，微帶線(xiàn)金屬貼片，下層介質(zhì)層和刻蝕螺旋結(jié)構(gòu)的金屬地板；所述刻槽金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)，上層介質(zhì)層，微帶線(xiàn)金屬貼片，下層介質(zhì)層和金屬地板之間相互貼入口 ο
[0006]所述刻槽金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)上刻蝕沿圓周方向均勻分布的凹槽，被環(huán)形結(jié)構(gòu)分為內(nèi)外凹槽兩部分，其中內(nèi)凹槽為直凹槽，外凹槽由兩段直凹槽組成，剩余金屬部分呈近似“T”字型結(jié)構(gòu)。
[0007]在上層介質(zhì)層，下層介質(zhì)層之間設(shè)有微帶線(xiàn)金屬貼片，所述微帶線(xiàn)金屬貼片由一條短金屬貼片和置于短金屬貼片末端的圓形結(jié)構(gòu)組合而成;所述圓形結(jié)構(gòu)與環(huán)形結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓內(nèi)切。
[0008]所述金屬地板的底面刻蝕螺旋結(jié)構(gòu)，所述螺旋結(jié)構(gòu)呈鏡面對(duì)稱(chēng)分布。
[0009]所述上層介質(zhì)層，下層介質(zhì)層的材質(zhì)為RogersR04350，介電常數(shù)為3.48，損耗角正切為0.004。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著技術(shù)進(jìn)步:
本發(fā)明天線(xiàn)在900MHz、1.8GHz和2.45GHz天線(xiàn)增益分別為1.57dB1、4.66dBi和3.92dBi，其尺寸為33mm*33mm，即0.1λ*0.1λ(相對(duì)于最低工作頻率900MHz的波長(zhǎng))，所以本發(fā)明具有尺寸小(亞波長(zhǎng))、重量輕、成本低、增益較高等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本發(fā)明天線(xiàn)正視圖。
[0012]圖2是本發(fā)明天線(xiàn)正面俯視圖。
[0013]圖3是本發(fā)明天線(xiàn)背面俯視圖。
[0014]圖4是本發(fā)明天線(xiàn)單元的方向圖。
[0015]其中1-刻槽金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)，2-上層介質(zhì)層，3-微帶線(xiàn)金屬貼片，4-下層介質(zhì)層，5-金屬地板，6-環(huán)形結(jié)構(gòu)，7-刻蝕外凹槽后剩余金屬末端矩形貼片長(zhǎng)度，8-刻蝕外凹槽后剩余金屬末端矩形貼片寬度，9-外凹槽深度，10-內(nèi)凹槽深度，11-環(huán)形結(jié)構(gòu)寬度，12-短金屬貼片，13-圓形結(jié)構(gòu)，14-介質(zhì)層的寬度，15-介質(zhì)層的長(zhǎng)度，16-螺旋結(jié)構(gòu)，17-螺旋結(jié)構(gòu)中正方形左上頂點(diǎn)距離金屬地板底邊的高度，18-對(duì)稱(chēng)的螺旋結(jié)構(gòu)之間的距離，19-螺旋結(jié)構(gòu)中螺旋臂之間的間隙寬度，20-螺旋結(jié)構(gòu)中螺旋凹槽的寬度，21-螺旋結(jié)構(gòu)中正方形的邊長(zhǎng)，22-單個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)的寬度，23-單個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，24-刻槽金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)的厚度，25-上層介質(zhì)層的厚度，26-微帶線(xiàn)金屬貼片的厚度，27-下層介質(zhì)層的厚度，28-金屬地板的厚度。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和優(yōu)選實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。
[0017]參見(jiàn)圖1、圖2和圖3，一種刻蝕螺旋地的仿局域表面等離激元超材料亞波長(zhǎng)整流天線(xiàn)，由上至下依次包括刻槽金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)I，上層介質(zhì)層2，微帶線(xiàn)金屬貼片3，下層介質(zhì)層4和刻蝕螺旋結(jié)構(gòu)的金屬地板5;所述刻槽金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)I，上層介質(zhì)層2，微帶線(xiàn)金屬貼片3，下層介質(zhì)層4和金屬地板5之間相互貼合。
[0018]所述刻槽金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)I上刻蝕沿圓周方向均勻分布的凹槽，被環(huán)形結(jié)構(gòu)6分為內(nèi)外凹槽兩部分，其中內(nèi)凹槽為直凹槽，外凹槽由兩段直凹槽組成，剩余金屬部分呈近似“T”字型結(jié)構(gòu)。
[0019]在上層介質(zhì)層2，下層介質(zhì)層4之間設(shè)有微帶線(xiàn)金屬貼片3，所述微帶線(xiàn)金屬貼片3由一條短金屬貼片12和置于短金屬貼片12末端的圓形結(jié)構(gòu)13組合而成;所述圓形結(jié)構(gòu)13與環(huán)形結(jié)構(gòu)6的內(nèi)圓內(nèi)切。
[0020]所述金屬地板5的底面刻蝕螺旋結(jié)構(gòu)16，所述螺旋結(jié)構(gòu)16呈鏡面對(duì)稱(chēng)分布。
[0021]所述上層介質(zhì)層2，下層介質(zhì)層4的材質(zhì)為RogersR04350，介電常數(shù)為3.48，損耗角正切為0.004。
[0022]本實(shí)施例中環(huán)形結(jié)構(gòu)寬度11為1mm、刻蝕外凹槽后剩余金屬末端矩形貼片長(zhǎng)度7為3.32mm，刻蝕外凹槽后剩余金屬末端矩形貼片寬度8為0.5mm，外凹槽深度9為7mm，內(nèi)凹槽深度10為4mm，上層介質(zhì)層的厚度25為2.034mm，下層介質(zhì)層的厚度27為1.016mm。采用微帶線(xiàn)金屬貼片3作為激勵(lì)來(lái)激發(fā)上層介質(zhì)層2上刻槽金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)I中的人工局域表面等離激元，微帶線(xiàn)金屬貼片的厚度26為0.018mm。其中短金屬貼片12末端的圓形結(jié)構(gòu)13是為了使更多的電磁波耦合到刻槽金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)I上，刻槽金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)的厚度24為0.018mm，介質(zhì)層的寬度14和介質(zhì)層的長(zhǎng)度15均為33mm，為十分之一個(gè)工作頻率為900MHz的波長(zhǎng)。單個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)的寬度22和單個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度23分別為20mm和15mm，螺旋結(jié)構(gòu)中正方形的邊長(zhǎng)21為2mm，螺旋結(jié)構(gòu)中正方形左上頂點(diǎn)距離金屬地板底邊的高度17為20mm，對(duì)稱(chēng)的螺旋結(jié)構(gòu)之間的距離18為2mm，螺旋結(jié)構(gòu)中螺旋臂之間的間隙寬度19為2mm，螺旋結(jié)構(gòu)中螺旋凹槽的寬度20為0.5mm。金屬地板的厚度28為0.018mm。
[0023]如圖4所示，本發(fā)明的天線(xiàn)單元結(jié)構(gòu)方向圖，(a)900MHz天線(xiàn)最大增益1.57dBi，(b)
1.8GHz天線(xiàn)最大增益為4.66dBi，(c)2.45GHz天線(xiàn)的最大增益為3.92dBi。
[0024]本發(fā)明具有尺寸小(亞波長(zhǎng))、重量輕、成本低、增益較高等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)能量收集系統(tǒng)，為WSN和RFID等電子設(shè)備供電。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種刻蝕螺旋地的仿局域表面等離激元超材料亞波長(zhǎng)整流天線(xiàn)，其特征在于，由上至下依次包括刻槽金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)(1)，上層介質(zhì)層(2)，微帶線(xiàn)金屬貼片(3)，下層介質(zhì)層(4)和刻蝕螺旋結(jié)構(gòu)的金屬地板(5);所述刻槽金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)(I)，上層介質(zhì)層(2)，微帶線(xiàn)金屬貼片(3)，下層介質(zhì)層(4)和金屬地板(5)之間相互貼合。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刻蝕螺旋地的仿局域表面等離激元超材料亞波長(zhǎng)整流天線(xiàn)，其特征在于，所述刻槽金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)(I)上刻蝕沿圓周方向均勻分布的凹槽，被環(huán)形結(jié)構(gòu)(6)分為內(nèi)外凹槽兩部分，其中內(nèi)凹槽為直凹槽，外凹槽由兩段直凹槽組成，剩余金屬部分呈近似“T”字型結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刻蝕螺旋地的仿局域表面等離激元超材料亞波長(zhǎng)整流天線(xiàn)，其特征在于，在上層介質(zhì)層(2)，下層介質(zhì)層(4)之間設(shè)有微帶線(xiàn)金屬貼片(3)，所述微帶線(xiàn)金屬貼片(3)由一條短金屬貼片(12)和置于短金屬貼片(12)末端的圓形結(jié)構(gòu)(13)組合而成;所述圓形結(jié)構(gòu)(13)與環(huán)形結(jié)構(gòu)(6)的內(nèi)圓內(nèi)切。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刻蝕螺旋地的仿局域表面等離激元超材料亞波長(zhǎng)整流天線(xiàn)，其特征在于，所述金屬地板(5)的底面刻蝕螺旋結(jié)構(gòu)(16)，所述螺旋結(jié)構(gòu)(16)呈鏡面對(duì)稱(chēng)分布。
【文檔編號(hào)】H01Q15/00GK105870614SQ201610216169
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月11日
【發(fā)明人】周永金, 楊柳
【申請(qǐng)人】上海大學(xué)