一種用於在線監測系統供能的超寬帶天線能量採集系統的製作方法

2023-10-27 23:48:07 2

本發明涉及一種天線能量採集系統，特別是一種用於在線監測系統供能的超寬帶天線能量採集系統。

背景技術：

為了適應水質，大氣等環境要素在線監測的需要，各類在線監測系統的研製工作成為最近研究的重點。而各類傳感器作為在線監測系統的重要組成單元，由於需要大量在野外（非室內）設置，其供能問題也吸引了越來越多研究者的注意。隨著超低功耗晶片技術的越發成熟，收集周圍環境中的無線射頻能量，進而為傳感器提供電能成為一種有效可行的新型能源供應模式。而無線能量採集技術中最重要的部分是接收天線的設計。

在線監測系統中的傳感器往往是大量，廣範圍的布置，從而帶來傳感器所處的無線環境十分複雜。目前的眾多關於能量採集天線的研究成果，往往只工作在一個特定的頻帶，因而無法解決這一問題。比如文獻[1]中所述的天線，只能工作在gsm的1.9ghz頻段及ism的2.4ghz頻段，因而也只能採集這2種頻帶中的無線能量。如果傳感器工作環境只有gsm800、900mhz或者更高頻率的3g，4g無線通信信號，當射頻能量採集系統採用此天線則不能採集環境中的射頻能量。此外，文獻[2]中的天線不僅工作頻段數目少且其天線尺寸較大，同時其採用的多層結構設計使得該天線厚度較大、結構複雜。文獻[3]中的天線雖然具有1.28ghz-30ghz的帶寬，覆蓋了眾多無線通信頻段，但是由於其採用立體三維結構，不易在野外安裝或與在線監測系統集成。

[1]徐雷鈞,楊曉東,白雪,趙不賄.一種基於縫隙結構的小型雙頻段射頻能量接收天線[j].通信技術,2014,01:106-110.

[2]賀秀蓮,紀奕才,雷宏,劉其中,龔書喜.適用於移動通信的寬頻帶微帶天線[j].電子與信息學報,2007,11:2771-2774.

[3]宋朝暉,祁嘉然,邱景輝,周廷顯.圓盤單極超寬帶天線特性研究[j].哈爾濱工程大學學報,2007,01:26-30。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種用於在線監測系統供能的超寬帶天線能量採集系統，解決在線監測系統所處無線環境複雜，當前射頻能量採集系統中天線覆蓋頻段數目少、工作帶寬較窄且尺寸較大等問題。

為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是：

一種用於在線監測系統供能的超寬帶天線能量採集系統，其特徵在於：包含超寬帶天線和整流電路，所述超寬帶天線覆蓋的頻帶範圍為0.8ghz-20ghz；

所述超寬帶天線為簡單槽雙極子天線，整體為w×l×h的長方體天線，每個槽由半短軸長為a1、半長軸長為b1的四分之一橢圓和半短軸長為a2、半長軸長為b2的四分之一橢圓以及兩四分之一橢圓之間的矩形構成，其中，w為140mm，l為100mm，h為1mm，a1為38mm，b1和b2均為80mm，a2為10mm；天線下端兩個槽相對位置設置有兩條沿長度方向設置的間隙，間隙寬度g為0.2mm，兩條間隙之間天線寬度w1為2mm，槽下側邊沿與天線下側邊沿寬度w2為10mm，槽上側邊與天線上側邊沿寬度w3為10mm；槽側邊與天線側邊最小寬度w6為2mm；

超寬帶天線兩個槽內分別設置有枝節，每個枝節包含第一枝節和第二枝節，第一枝節一端與超寬帶天線內側端部連接，第二枝節一端與第一枝節另一端連接；

所述第一枝節由半短軸長為a3、半長軸長為b3的四分之一橢圓去除同一圓心位置的半短軸長為a4、半長軸長為b4的四分之一橢圓後剩餘部分構成，其中，a3為45mm，b3為65mm，a4為44cm，b4為50mm，第一枝節與天線連接端寬度w4為1mm；

所述第二枝節由半徑為r的四分之一圓和半短軸長為a5、半長軸長為b5的四分之一橢圓去除同一圓心位置的半短軸長為a6、半長軸長為b6的四分之一橢圓後剩餘部分以及l1×w5的長方形構成，其中，r為15mm，a5為35mm，b5為48mm，a6為20mm，b6為33mm，l1為15.5mm，w5為15mm。

進一步地，所述超寬帶天線採集無線射頻能量為在線監測系統中的傳感器供能，無線射頻信號來源包含數字集群基站和移動臺、cdma數字蜂窩基站、gsm900/1800、wlan、wimax、td-scdma以及td-lte。

進一步地，所述超寬帶天線包含上層輻射體和下層介質基板。

進一步地，所述上層輻射體採用銅材質，下層介質基板採用介電常數為4.4的fr-4環氧玻璃纖維板。

進一步地，所述整流電路為倍壓整流電路。

進一步地，所述倍壓整流電路包含電容c1、c2和二極體d1、d2，超寬帶天線輸出端一端與電容c1一端連接，電容c1另一端與二極體d1陰極和二極體d2陽極連接，二極體d2陰極與電容c2一端以及傳感器輸入端一端連接，超寬帶天線輸出端另一端與二極體d1陽極、電容c2另一端以及傳感器輸入端另一端連接。

本發明與現有技術相比，具有以下優點和效果：

1、本發明的天線尺寸為140mm×100mm×1mm，小於常用的800mhz頻段天線；且為平面結構，易於集成到無線傳感器中去；

2、本發明的天線帶寬大，覆蓋多種無線通信頻段，從而可以適應野外複雜的無線電磁環境；

3、本發明採用厚度為1mm且價格低廉的fr-4環氧玻璃纖維板作為介質基板，較現有技術的天線有更薄的厚度和更低的製作成本。

附圖說明

圖1是本發明的一種用於在線監測系統供能的超寬帶天線能量採集系統的模塊連接圖。

圖2是本發明的超寬帶天線俯視圖。

圖3是本發明的超寬帶天線側視圖。

圖4是本發明的整流電路的電路圖。

圖5是本發明的超寬帶天線s11參數折線圖。

圖6是本發明的超寬帶天線在800mhz的xoz平面和yoz平面輻射方向圖。

圖7是本發明的超寬帶天線在1ghz的xoz平面和yoz平面輻射方向圖。

圖8是本發明的超寬帶天線在2.45ghz的xoz平面和yoz平面輻射方向圖。

圖9是本發明的超寬帶天線未加枝節前天線的s11參數。

圖10是本發明的超寬帶天線加了枝節後天線的s11參數。

具體實施方式

下面結合附圖並通過實施例對本發明作進一步的詳細說明，以下實施例是對本發明的解釋而本發明並不局限於以下實施例。

如圖1所示，本發明的一種用於在線監測系統供能的超寬帶天線能量採集系統，包含超寬帶天線和整流電路，超寬帶天線覆蓋的頻帶範圍為0.8ghz-20ghz。超寬帶天線採集無線射頻能量為在線監測系統中的傳感器供能，無線射頻包含數字集群基站和移動臺（806mhz-821mhz、851mhz-866mhz）、cdma數字蜂窩基站（825mhz-835mhz、870mhz-880mhz）、gsm900/1800、wlan（2.4ghz-2.4835ghz，5.15ghz-5.85ghz）、wimax(2.3ghz-2.4ghz)、td-scdma(2010mhz-2025mhz)以及td-lte（2300mhz-2390mhz）等頻段的無線射頻能量。

如圖2和圖3所示，超寬帶天線為簡單槽雙極子天線，整體為w×l×h的長方體天線，每個槽由半短軸長為a1、半長軸長為b1的四分之一橢圓和半短軸長為a2、半長軸長為b2的四分之一橢圓以及兩四分之一橢圓之間的矩形構成，其中，w為140mm，l為100mm，h為1mm，a1為38mm，b1和b2均為80mm，a2為10mm；天線下端兩個槽相對位置設置有兩條沿長度方向設置的間隙，間隙寬度g為0.2mm，兩條間隙之間天線寬度w1為2mm，槽下側邊沿與天線下側邊沿寬度w2為10mm，槽上側邊與天線上側邊沿寬度w3為10mm；槽側邊與天線側邊最小寬度w6為2mm。此時，如圖9所示，該天線的s11滿足小於-10db要求的頻段數目少且帶寬較窄。

超寬帶天線兩個槽內分別設置有枝節，每個枝節包含第一枝節和第二枝節，第一枝節一端與超寬帶天線內側端部連接，第二枝節一端與第一枝節另一端連接。

第一枝節由半短軸長為a3、半長軸長為b3的四分之一橢圓去除同一圓心位置的半短軸長為a4、半長軸長為b4的四分之一橢圓後剩餘部分構成，其中，a3為45mm，b3為65mm，a4為44cm，b4為50mm，第一枝節與天線連接端寬度w4為1mm；如圖10所示，加了第一枝節後，天線小於-10db的頻段數目增多且帶寬增大。

第二枝節由半徑為r的四分之一圓和半短軸長為a5、半長軸長為b5的四分之一橢圓去除同一圓心位置的半短軸長為a6、半長軸長為b6的四分之一橢圓後剩餘部分以及l1×w5的長方形構成，其中，r為15mm，a5為35mm，b5為48mm，a6為20mm，b6為33mm，l1為15.5mm，w5為15mm。此時如圖5所示，天線帶寬進一步增大，達到本發明的目的。

如圖3所示，超寬帶天線包含上層輻射體1和下層介質基板2。上層輻射體1採用銅材質，下層介質基板2採用介電常數為4.4的fr-4環氧玻璃纖維板，使得該天線具有良好的輻射性能和較低的製作成本

整流電路為倍壓整流電路。如圖4所示，倍壓整流電路包含電容c1、c2和二極體d1、d2，超寬帶天線輸出端一端與電容c1一端連接，電容c1另一端與二極體d1陰極和二極體d2陽極連接，二極體d2陰極與電容c2一端以及傳感器輸入端一端連接，超寬帶天線輸出端另一端與二極體d1陽極、電容c2另一端以及傳感器輸入端另一端連接。

圖5是超寬帶天線的s11參數折線圖，即為天線的回波損耗參數。如圖5所示可知，該天線的s11參數在-10db以下的頻帶為0.8ghz-20ghz。在這頻帶內，該天線具有良好的阻抗匹配特性。

圖6、圖7、圖8分別是超寬帶天線在800mhz、1ghz和2.45ghz的xoz平面和yoz平面輻射方向圖。由圖6、7、8可知，在各個平面內本發明的超帶寬天線都具有比較小的交叉極化，輻射特性較好。

本說明書中所描述的以上內容僅僅是對本發明所作的舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種修改或補充或採用類似的方式替代，只要不偏離本發明說明書的內容或者超越本權利要求書所定義的範圍，均應屬於本發明的保護範圍。