刻蝕螺旋地的仿局域表面等離激元超材料亞波長整流天線的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種刻蝕螺旋地的仿局域表面等離激元超材料亞波長整流天線，由上至下依次包括刻槽金屬圓環結構，上層介質層，微帶線金屬貼片，下層介質層和刻蝕螺旋結構的金屬地板；所述刻槽金屬圓環結構，上層介質層，微帶線金屬貼片，下層介質層和金屬地板之間相互貼合。本發明具有尺寸小（亞波長）、重量輕、成本低、增益較高等優點，適合應用于無線能量收集系統，為WSN和RFID等電子設備供電。
【專利說明】
刻蝕螺旋地的仿局域表面等離激元超材料亞波長整流天線
技術領域
[0001]本發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整流天線，屬于新型人工電磁材料、能量收集與回收技術領域，該整流天線可應用于物聯網、射頻識別(RFID)和無線傳感器網絡(WSN)等領域。
【背景技術】
[0002]作為物聯網的兩大核心技術，射頻識別(RFID)和無線傳感器網絡(WSN)已得到國際上學術界和企業界的高度關注，各國政府部門亦積極推進物聯網的發展。WSN和RFID等物聯網技術已應用于各個領域:如國防安全、空間探測、環境監測等。RFID、WSN節點分布范圍廣、數量多、或工作于不可及的特殊環境中，無線能量供給技術是延長其生命周期、拓寬應用范圍的關鍵技術。無線能量收集技術回收利用自由空間的電磁能量，將其轉換成直流能量為電子設備供電。環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。因此，收集天線能夠接收的功率往往較低。而在低微功率輸入的情況下，整流電路的效率會急劇下降(低于10%)，從而降低整個系統的能量轉換效率。為了有效利用空間任意電磁能量，收集天線需要同時滿足較高增益、多頻帶和較大的半功率波瓣寬度等指標。而常規天線的帶寬和增益決定于它的幾何結構及尺寸，較高增益往往意味著較大尺寸。這時相比于整流電路、能量管理和存儲、傳感器等模塊，收集天線的尺寸過于龐大，對于具有成百上千節點的無線傳感器網絡來說，這種龐大的天線是不切實際的。
[0003]超材料(新型人工電磁材料)是電磁學中新興的研究領域，由一系列設計的結構單元在亞波長尺度上按照一定規律排列構成。通過改變單元結構設計即可改變超材料的本構關系，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足的發展，在天線和微波器件等方面都有廣泛的應用。基于仿表面等離激元超材料能夠在低頻段實現電磁波的亞波長束縛，從而實現小型化、集成化的微波器件和天線。本發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整流天線，具有尺寸小(亞波長)、重量輕、成本低、增益較高等優點，適合應用于無線能量收集系統，為WSN和RFID等電子設備供電。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于針對現有技術存在的不足，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整流天線。
[0005]為達到上述目的，本發明采用如下技術方案:
一種刻蝕螺旋地的仿局域表面等離激元超材料亞波長整流天線，由上至下依次包括刻槽金屬圓環結構，上層介質層，微帶線金屬貼片，下層介質層和刻蝕螺旋結構的金屬地板；所述刻槽金屬圓環結構，上層介質層，微帶線金屬貼片，下層介質層和金屬地板之間相互貼入口 ο
[0006]所述刻槽金屬圓環結構上刻蝕沿圓周方向均勻分布的凹槽，被環形結構分為內外凹槽兩部分，其中內凹槽為直凹槽，外凹槽由兩段直凹槽組成，剩余金屬部分呈近似“T”字型結構。
[0007]在上層介質層，下層介質層之間設有微帶線金屬貼片，所述微帶線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構組合而成;所述圓形結構與環形結構的內圓內切。
[0008]所述金屬地板的底面刻蝕螺旋結構，所述螺旋結構呈鏡面對稱分布。
[0009]所述上層介質層，下層介質層的材質為RogersR04350，介電常數為3.48，損耗角正切為0.004。
[0010]本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著技術進步:
本發明天線在900MHz、1.8GHz和2.45GHz天線增益分別為1.57dB1、4.66dBi和3.92dBi，其尺寸為33mm*33mm，即0.1λ*0.1λ(相對于最低工作頻率900MHz的波長)，所以本發明具有尺寸小(亞波長)、重量輕、成本低、增益較高等優點。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發明天線正視圖。
[0012]圖2是本發明天線正面俯視圖。
[0013]圖3是本發明天線背面俯視圖。
[0014]圖4是本發明天線單元的方向圖。
[0015]其中1-刻槽金屬圓環結構，2-上層介質層，3-微帶線金屬貼片，4-下層介質層，5-金屬地板，6-環形結構，7-刻蝕外凹槽后剩余金屬末端矩形貼片長度，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-內凹槽深度，11-環形結構寬度，12-短金屬貼片，13-圓形結構，14-介質層的寬度，15-介質層的長度，16-螺旋結構，17-螺旋結構中正方形左上頂點距離金屬地板底邊的高度，18-對稱的螺旋結構之間的距離，19-螺旋結構中螺旋臂之間的間隙寬度，20-螺旋結構中螺旋凹槽的寬度，21-螺旋結構中正方形的邊長，22-單個螺旋結構的寬度，23-單個螺旋結構的長度，24-刻槽金屬圓環結構的厚度，25-上層介質層的厚度，26-微帶線金屬貼片的厚度，27-下層介質層的厚度，28-金屬地板的厚度。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和優選實施例，對本發明做進一步闡述。
[0017]參見圖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整流天線，由上至下依次包括刻槽金屬圓環結構I，上層介質層2，微帶線金屬貼片3，下層介質層4和刻蝕螺旋結構的金屬地板5;所述刻槽金屬圓環結構I，上層介質層2，微帶線金屬貼片3，下層介質層4和金屬地板5之間相互貼合。
[0018]所述刻槽金屬圓環結構I上刻蝕沿圓周方向均勻分布的凹槽，被環形結構6分為內外凹槽兩部分，其中內凹槽為直凹槽，外凹槽由兩段直凹槽組成，剩余金屬部分呈近似“T”字型結構。
[0019]在上層介質層2，下層介質層4之間設有微帶線金屬貼片3，所述微帶線金屬貼片3由一條短金屬貼片12和置于短金屬貼片12末端的圓形結構13組合而成;所述圓形結構13與環形結構6的內圓內切。
[0020]所述金屬地板5的底面刻蝕螺旋結構16，所述螺旋結構16呈鏡面對稱分布。
[0021]所述上層介質層2，下層介質層4的材質為RogersR04350，介電常數為3.48，損耗角正切為0.004。
[0022]本實施例中環形結構寬度11為1mm、刻蝕外凹槽后剩余金屬末端矩形貼片長度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，內凹槽深度10為4mm，上層介質層的厚度25為2.034mm，下層介質層的厚度27為1.016mm。采用微帶線金屬貼片3作為激勵來激發上層介質層2上刻槽金屬圓環結構I中的人工局域表面等離激元，微帶線金屬貼片的厚度26為0.018mm。其中短金屬貼片12末端的圓形結構13是為了使更多的電磁波耦合到刻槽金屬圓環結構I上，刻槽金屬圓環結構的厚度24為0.018mm，介質層的寬度14和介質層的長度15均為33mm，為十分之一個工作頻率為900MHz的波長。單個螺旋結構的寬度22和單個螺旋結構的長度23分別為20mm和15mm，螺旋結構中正方形的邊長21為2mm，螺旋結構中正方形左上頂點距離金屬地板底邊的高度17為20mm，對稱的螺旋結構之間的距離18為2mm，螺旋結構中螺旋臂之間的間隙寬度19為2mm，螺旋結構中螺旋凹槽的寬度20為0.5mm。金屬地板的厚度28為0.018mm。
[0023]如圖4所示，本發明的天線單元結構方向圖，(a)900MHz天線最大增益1.57dBi，(b)
1.8GHz天線最大增益為4.66dBi，(c)2.45GHz天線的最大增益為3.92dBi。
[0024]本發明具有尺寸小(亞波長)、重量輕、成本低、增益較高等優點，適合應用于無線能量收集系統，為WSN和RFID等電子設備供電。
【主權項】
1.一種刻蝕螺旋地的仿局域表面等離激元超材料亞波長整流天線，其特征在于，由上至下依次包括刻槽金屬圓環結構(1)，上層介質層(2)，微帶線金屬貼片(3)，下層介質層(4)和刻蝕螺旋結構的金屬地板(5);所述刻槽金屬圓環結構(I)，上層介質層(2)，微帶線金屬貼片(3)，下層介質層(4)和金屬地板(5)之間相互貼合。2.根據權利要求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整流天線，其特征在于，所述刻槽金屬圓環結構(I)上刻蝕沿圓周方向均勻分布的凹槽，被環形結構(6)分為內外凹槽兩部分，其中內凹槽為直凹槽，外凹槽由兩段直凹槽組成，剩余金屬部分呈近似“T”字型結構。3.根據權利要求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整流天線，其特征在于，在上層介質層(2)，下層介質層(4)之間設有微帶線金屬貼片(3)，所述微帶線金屬貼片(3)由一條短金屬貼片(12)和置于短金屬貼片(12)末端的圓形結構(13)組合而成;所述圓形結構(13)與環形結構(6)的內圓內切。4.根據權利要求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整流天線，其特征在于，所述金屬地板(5)的底面刻蝕螺旋結構(16)，所述螺旋結構(16)呈鏡面對稱分布。
【文檔編號】H01Q15/00GK105870614SQ201610216169
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月11日
【發明人】周永金, 楊柳
【申請人】上海大學