電磁波能量轉換自供電系統的製作方法
2023-05-21 16:23:01 2
本發明屬於電磁能量接收天線技術領域，具體涉及一種用於接收環境中射頻能量的電磁波能量轉換自供電系統。
背景技術：
隨著矽微電子技術的發展，電子系統的功耗越來越低，出現了微瓦級功耗的電子系統，使得系統能夠從周圍環境中收集能量以供自身持續工作成為可能，這種能夠從周圍環境中收集能量以供自身持續工作的系統稱為自供電(self-powering)或者自充電(self-rechargeable)、免電池(battery-less)電子微系統。
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電磁波能量轉換自供電系統，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採用如下技術方案，電磁波能量轉換自供電系統，其特徵在於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，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，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εr＝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0.113115λ，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εr＝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)作為旋轉點逆時針旋轉140°得到線段二，再沿線段二與x軸夾角為40°的方向，在坐標軸第四區間內延長到原來的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併得到旋轉圖形一，將旋轉圖形一以點為旋轉點，依次順時針旋轉20°、40°、60°、80°、100°、120°、140°、160°、180°、200°、220°、240°、260°、280°、300°、320°和340°，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、旋轉圖形八、旋轉圖形九、旋轉圖形十、旋轉圖形十一、旋轉圖形十二、旋轉圖形十三、旋轉圖形十四、旋轉圖形十五、旋轉圖形十六、旋轉圖形十七和旋轉圖形十八，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、旋轉圖形八、旋轉圖形九、旋轉圖形十、旋轉圖形十一、旋轉圖形十二、旋轉圖形十三、旋轉圖形十四、旋轉圖形十五、旋轉圖形十六、旋轉圖形十七和旋轉圖形十八合併得到封閉圖形，將封閉圖形的圓形覆蓋面的半徑縮小到原來的0.2071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16.63mm、16.63mm、13.37mm和13.37mm，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，該能量管理電路用於將吸收到的能量進行儲存。
本發明的技術效果為：電磁波能量轉換自供電系統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是電磁波能量轉換自供電系統結構示意圖；
圖3是利用HFSS天線模擬仿真軟體模擬的電磁波能量轉換自供電系統的回波損耗圖；
圖4是利用HFSS天線模擬仿真軟體模擬的電磁波能量轉換自供電系統的增益圖。
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、圓柱形金屬導體，6、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電磁波能量轉換自供電系統設計，在微帶天線設計時需要對電磁波能量轉換自供電系統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電磁波能量轉換自供電系統。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，εr為相對介電常數。
微帶天線介質基板的相對有效介電常數εre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fu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Lg×Wg滿足下列理論公式
Lg≥L+6h (6)
Wg≥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後，一般在微帶天線中加入50Ω的標準阻抗。
如圖1-2所示，電磁波能量轉換自供電系統，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，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5，接地板3上設有與圓柱形金屬導體5底面同心的圓孔6；所述介質覆蓋層1的材料為Rogers RO6002，介電常數εr＝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0.113115λ，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εr＝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)作為旋轉點逆時針旋轉140°得到線段二，再沿線段二與x軸夾角為40°的方向，在坐標軸第四區間內延長到原來的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併得到旋轉圖形一，將旋轉圖形一以點為旋轉點，依次順時針旋轉20°40°、60°、80°、100°、120°、140°、160°、180°、200°、220°、240°、260°、280°、300°、320°和340°，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、旋轉圖形八、旋轉圖形九、旋轉圖形十、旋轉圖形十一、旋轉圖形十二、旋轉圖形十三、旋轉圖形十四、旋轉圖形十五、旋轉圖形十六、旋轉圖形十七和旋轉圖形十八，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、旋轉圖形八、旋轉圖形九、旋轉圖形十、旋轉圖形十一、旋轉圖形十二、旋轉圖形十三、旋轉圖形十四、旋轉圖形十五、旋轉圖形十六、旋轉圖形十七和旋轉圖形十八合併得到封閉圖形，將封閉圖形的圓形覆蓋面的半徑縮小到原來的0.2071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；與圓柱形金屬導體5相對的接地板3上圓孔6的孔徑R＝1.9mm；所述圓柱形金屬導體5的一端與金屬天線貼片4連接，圓柱形金屬導體5的材料為銅，其底面半徑r＝0.5mm，厚度d＝2.54mm，圓柱形金屬導體5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16.63mm、16.63mm、13.37mm和13.37mm，所述圓柱形金屬導體5另一端的輸出接口與能量管理電路相連，該能量管理電路用於將吸收到的能量進行儲存。
圖3是利用HFSS天線模擬仿真軟體模擬的電磁波能量轉換自供電系統的回波損耗圖，由圖可知，該電磁波能量轉換自供電系統的回波損耗為-61dB，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天線模擬仿真軟體模擬的電磁波能量轉換自供電系統的增益圖，由圖可知，該電磁波能量轉換自供電系統在2.45GHz的最大增益為4.1dB，方向性非常的穩定。
以上實施例描述了本發明的基本原理、主要特徵及優點，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範圍下，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範圍內。