抑制損耗電磁能采集天線的制作方法

本發明屬于電磁能量接收天線技術領域，具體涉及一種用于接收環境中射頻能量的抑制損耗電磁能采集天線。

背景技術：

比較了目前主流的三種無線傳輸方式，即電磁感應方式、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缺點，如傳輸距離、傳輸功率、傳輸效率以及應用范圍，發現電磁波無線傳輸方式具有為低功率傳感器供電的特點。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題是提供了一種結構簡單且設計合理的抑制損耗電磁能采集天線，該天線較其它天線而言擁有的更小的尺寸、相對較低的回撥損耗、良好的阻抗匹配和較高的增益。

本發明為解決上述技術問題采用如下技術方案，抑制損耗電磁能采集天線，其特征在于包括由上到下尺寸一致且相互貼合的介質覆蓋層、介質基板和接地板，其中與介質覆蓋層貼合一側的介質基板上貼附有金屬天線貼片、反射器和引向器，介質基板的中部設有垂直貫穿介質基板的圓柱形金屬導體和四個圓柱形孔洞，接地板上設有與圓柱形金屬導體底面同心的圓孔；所述介質覆蓋層的材料為Rogers RO6002，介電常數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0.0967λ，其中λ＝122mm，λ為2.45GHz射頻的波長，厚度為0.02mm，材料為銅，所述介質基板的材料為Rogers RO6010，介電常數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基板上表面的中心點位置一致；所述金屬天線貼片的設計形狀及尺寸滿足如下要求，建立平面直角坐標系，將(0mm，-2.5mm)作為起點，(13.75mm，-2.5mm)為另一端點沿x軸正方向做出一條長為13.75mm的線段一，以點(13.75mm，-2.5mm)為旋轉點，將線段一沿逆時針方向旋轉112.5°，與曲線方程的交點為H(15.185mm，-5.965mm)，以直線y＝-x為對稱軸作鏡面對稱得到點L(5.965mm，-15.185mm)，再沿線段一與x軸夾角為67.5°的方向，在坐標軸第四區間內延長到原來的2倍得到延長線段二，將延長線段二以直線y＝-x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分別連接點H(15.185mm，-5.965mm)、和L(5.965mm，-15.185mm)、得到線段HW和線段LW，再次將原點(0mm，0mm)作為起點，根據以下公式進行天線貼片形狀設計：

y＝0(0≤x≤2.5) (1)

將由公式所得到的全部曲線依次首尾相連，得到初始圖形一，以直線y＝-x為對稱軸，將初始圖形一進行鏡面對稱，得到初始圖形二，線段HW、線段LW、初始圖形一和初始圖形二合并得到旋轉圖形一，將旋轉圖形一以點為旋轉點，順時針依次旋轉45°、90°、135、180°、225°、270°和315°，分別得到旋轉圖形二、旋轉圖形三、旋轉圖形四、旋轉圖形五、旋轉圖形六、旋轉圖形七和旋轉圖形八，旋轉圖形一、旋轉圖形二、旋轉圖形三、旋轉圖形四、旋轉圖形五、旋轉圖形六、旋轉圖形七和旋轉圖形八合并得到封閉圖形，將封閉圖形的圓形覆蓋面半徑縮小為原來的0.3844倍得到所需金屬天線貼片的設計形狀及尺寸，按照設計形狀及尺寸裁剪得到金屬天線貼片；所述引向器為矩形金屬條一，該矩形金屬條一的長度和寬度分別為10mm和0.47mm，其長邊與介質基板的上下側邊平行，短邊與介質基板的左右側邊平行，中心點與介質基板上下側邊的垂直距離分別為28mm和2mm，中心點與介質基板左右側邊的垂直距離分別為15mm和15mm，所述反射器為矩形金屬條二，該矩形金屬條二的長度和寬度分別為18mm和0.46mm，其長邊與介質基板的上下側邊平行，短邊與介質基板的左右側邊平行，中心點與介質基板上下側邊的垂直距離分別為1mm和29mm，中心點與介質基板左右側邊的垂直距離分別為15mm和15mm；所述介質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成邊長為22mm的正方形，該正方形上下邊與介質基板上下側邊的垂直距離分別為3mm和5mm，正方形左右側邊與介質基板左右兩側的垂直距離分別為2mm和6mm；所述圓柱形金屬導體的一端與金屬天線貼片連接，圓柱形金屬導體的材料為銅，其底面半徑r＝0.5mm，厚度d＝2.54mm，圓柱形金屬導體與金屬天線貼片的連接處圓心與介質基板四條側邊的垂直距離分別為16.57mm、16.57mm、13.43mm和13.43mm，與圓柱形金屬導體相對的接地板上圓孔的孔徑R＝1.9mm，所述圓柱形金屬導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。

本發明的技術效果為：抑制損耗電磁能采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境中的射頻能量。

附圖說明

圖1是金屬天線貼片的結構示意圖；

圖2是抑制損耗電磁能采集天線結構示意圖；

圖3是利用HFSS天線模擬仿真軟件模擬的抑制損耗電磁能采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抑制損耗電磁能采集天線駐波比圖。

圖中：1、介質覆蓋層，2、介質基板，3、接地板，4、金屬天線貼片，5、反射器，6、引向器，7、圓柱形金屬導體，8、圓柱形孔洞，9、圓孔。

具體實施方式

下面將結合本發明中的附圖，對本發明具體實施過程中的技術方案進行清楚、完整、具體的描述。

此發明的核心部分是抑制損耗電磁能采集天線設計，在微帶天線設計時需要對抑制損耗電磁能采集天線的金屬天線貼片的尺寸，介質基板的尺寸、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抑制損耗電磁能采集天線。所以下面以矩形微帶天線為例，講解微帶天線各個數據參數的理論計算方法。

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。

微帶天線介質基板的相對有效介電常數ε_re為：

h表示介質層厚度，為了降低表面波輻射對天線性能的影響，介質基片的厚度應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，抑制損耗電磁能采集天線，包括由上到下尺寸一致且相互貼合的介質覆蓋層1、介質基板2和接地板3，其中與介質覆蓋層1貼合一側的介質基板2上貼附有金屬天線貼片4、反射器5和引向器6，介質基板2的中部設有垂直貫穿介質基板2的圓柱形金屬導體7和四個圓柱形孔洞8，接地板3上設有與圓柱形金屬導體7底面同心的圓孔9；所述介質覆蓋層1的材料為Rogers RO6002，介電常數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0.0967λ，其中λ＝122mm，λ為2.45GHz射頻的波長，厚度為0.02mm，材料為銅，所述介質基板2的材料為Rogers RO6010，介電常數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的設計形狀及尺寸滿足如下要求，建立平面直角坐標系，將(0mm，-2.5mm)作為起點，(13.75mm，-2.5mm)為另一端點沿x軸正方向做出一條長為13.75mm的線段一，以點(13.75mm，-2.5mm)為旋轉點，將線段一沿逆時針方向旋轉112.5°，與曲線方程的交點為H(15.185mm，-5.965mm)，以直線y＝-x為對稱軸作鏡面對稱得到點L(5.965mm，-15.185mm)，再沿線段一與x軸夾角為67.5°的方向，在坐標軸第四區間內延長到原來的2倍得到延長線段二，將延長線段二以直線y＝-x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分別連接點H(15.185mm，-5.965mm)、和L(5.965mm，-15.185mm)、得到線段HW和線段LW，再次將原點(0mm，0mm)作為起點，根據以下公式進行天線貼片形狀設計：

y＝0(0≤x≤2.5) (1)

將由公式所得到的全部曲線依次首尾相連，得到初始圖形一，以直線y＝-x為對稱軸，將初始圖形一進行鏡面對稱，得到初始圖形二，線段HW、線段LW、初始圖形一和初始圖形二合并得到旋轉圖形一，將旋轉圖形一以點為旋轉點，順時針依次旋轉45°、90°、135、180°、225°、270°和315°，分別得到旋轉圖形二、旋轉圖形三、旋轉圖形四、旋轉圖形五、旋轉圖形六、旋轉圖形七和旋轉圖形八，旋轉圖形一、旋轉圖形二、旋轉圖形三、旋轉圖形四、旋轉圖形五、旋轉圖形六、旋轉圖形七和旋轉圖形八合并得到封閉圖形，將封閉圖形的圓形覆蓋面半徑縮小為原來的0.3844倍得到所需金屬天線貼片4的設計形狀及尺寸，按照設計形狀及尺寸裁剪得到金屬天線貼片4；所述引向器6為矩形金屬條一，該矩形金屬條一的長度和寬度分別為10mm和0.47mm，其長邊與介質基板2的上下側邊平行，短邊與介質基板2的左右側邊平行，中心點與介質基板2上下側邊的垂直距離分別為28mm和2mm，中心點與介質基板2左右側邊的垂直距離分別為15mm和15mm，所述反射器5為矩形金屬條二，該矩形金屬條二的長度和寬度分別為18mm和0.46mm，其長邊與介質基板2的上下側邊平行，短邊與介質基板2的左右側邊平行，中心點與介質基板2上下側邊的垂直距離分別為1mm和29mm，中心點與介質基板2左右側邊的垂直距離分別為15mm和15mm；所述介質基板上四個圓柱形孔洞8的半徑均為0.5mm，四個圓柱形孔洞8的圓心連線構成邊長為22mm的正方形，該正方形上下邊與介質基板2上下側邊的垂直距離分別為3mm和5mm，正方形左右側邊與介質基板2左右兩側的垂直距離分別為2mm和6mm；所述圓柱形金屬導體7的一端與金屬天線貼片4連接，圓柱形金屬導體7的材料為銅，其底面半徑r＝0.5mm，厚度d＝2.54mm，圓柱形金屬導體7與金屬天線貼片4的連接處圓心與介質基板2四條側邊的垂直距離分別為16.57mm、16.57mm、13.43mm和13.43mm，與圓柱形金屬導體7相對的接地板3上圓孔9的孔徑R＝1.9mm，所述圓柱形金屬導體7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抑制損耗電磁能采集天線的回波損耗圖，由圖可知，該抑制損耗電磁能采集天線的回波損耗為-37dB，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抑制損耗電磁能采集天線駐波比圖，由圖可知，該抑制損耗電磁能采集天線在2.45GHz的駐波比為1.0866，非常接近1。

以上實施例描述了本發明的基本原理、主要特征及優點，本行業的技術人員應該了解，本發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明的原理，在不脫離本發明原理的范圍下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進均落入本發明保護的范圍內。