射頻能量吸收邊角變換天線的製作方法

2023-09-20 17:54:00 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射頻能量吸收邊角變換天線。

背景技術：

在國內，關於射頻無線能量有限空間內的傳輸技術研究起步較晚，在科技迅猛發展的今天，隨著經濟的進步和科研水平的提高，越來越多的公司和科研機構開始關注並開展這方面的研究，在有限空間內進行無線射頻能量的收集。

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射頻能量吸收邊角變換天線，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採用如下技術方案，射頻能量吸收邊角變換天線，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0.1131λ，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(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105°，與曲線方程的交點為H(14.72057mm，-6.1222mm)，以直線y＝-x為對稱軸作鏡面對稱得到點L(6.1222mm，-14.72057mm)，將線段一以直線y＝-x為對稱軸作鏡面對稱得到線段二，線段一和線段二的交點為分別連接點H(14.72057mm，-6.1222mm)、和L(6.1222mm，-14.72057mm)、得到線段HW和線段LW，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(2.5mm，-1.25mm)為第一個曲線的圓心，以(2.5mm，0mm)為一端點，以(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(5mm，-1.25mm)為第二個曲線的圓心，以(3.75mm，-1.25mm)為一端點，以(6.25mm，-1.25mm)為另一端點，半徑r2＝1.25mm，作出圓周角為180°，方向為向y軸負方向凸出的圓弧，然後以(7.5mm，-1.25mm)為第三個曲線的圓心，以(6.25mm，-1.25mm)為一端點，以(7.5mm，0mm)為另一端點，半徑r3＝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(7.5mm，-2.5mm)為第四個曲線的圓心，以(7.5mm，0mm)為一端點，以(10mm，-2.5mm)為另一端點，半徑r4＝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(13.75mm，-2.5mm)為第五個曲線的圓心，以(10mm，-2.5mm)為一端點，以H(14.72057mm，-6.1222mm)為另一端點，半徑r5＝3.75mm，作出圓周角為105°，方向為向x軸及y軸負方向凸出的圓弧，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併得到旋轉圖形一，將旋轉圖形一以點為旋轉點，順時針旋轉60°並整體縮小為原來的0.8倍，得到旋轉圖形二，將旋轉圖形二以點為旋轉點，順時針旋轉120°，得到旋轉圖形三，將旋轉圖形一以點為旋轉點，順時針旋轉180°並整體縮小為原來的0.8倍，得到旋轉圖形四，將旋轉圖形一以點為旋轉點，順時針旋轉240°，得到旋轉圖形五，將旋轉圖形一以點為旋轉點，順時針旋轉300°並整體縮小為原來的0.8倍，得到旋轉圖形六，旋轉圖形一、旋轉圖形二、旋轉圖形三、旋轉圖形四、旋轉圖形五和旋轉圖形六合併得到封閉圖形，將封閉圖形的圓形覆蓋面半徑縮小為原來的0.77234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16.59mm、16.59mm、13.41mm和13.41mm，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，該能量管理電路用於將吸收到的能量進行儲存。

本發明的技術效果為：射頻能量吸收邊角變換天線具有更低的回波損耗、良好的阻抗匹配和駐波以及較高的增益，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是射頻能量吸收邊角變換天線結構示意圖；

圖3是利用HFSS天線模擬仿真軟體模擬的射頻能量吸收邊角變換天線的回波損耗圖；

圖4是利用HFSS天線模擬仿真軟體模擬的射頻能量吸收邊角變換天線輸入阻抗圖。

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射頻能量吸收邊角變換天線設計，在微帶天線設計時需要對射頻能量吸收邊角變換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射頻能量吸收邊角變換天線。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：

<![CDATA[ W = c 2 f 0 ( r + 1 2 ) - 1 2 - - - ( 1 ) ]]>

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：

<![CDATA[ r e = r + 1 2 + r - 1 2 ( 1 + 12 h W ) - 1 2 - - - ( 2 ) ]]>

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：

<![CDATA[ h ≤ 0.3 c 2 πf u r - - - ( 3 ) ]]>

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ΔL為：

<![CDATA[ Δ L = 0.412 h ( r e + 0.3 ) ( W / h + 0.264 ) ( r e - 0.258 ) ( W / h + 0.8 ) - - - ( 4 ) ]]>

則微帶天線貼片的長度L為：

<![CDATA[ L = c 2 f 0 1 r e - 2 Δ L - - - ( 5 ) ]]>

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，射頻能量吸收邊角變換天線，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，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0.1132λ，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(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105°，與曲線方程的交點為H(14.72057mm，-6.1222mm)，以直線y＝-x為對稱軸作鏡面對稱得到點L(6.1222mm，-14.72057mm)，將線段一以直線y＝-x為對稱軸作鏡面對稱得到線段二，線段一和線段二的交點為分別連接點H(14.72057mm，-6.1222mm)、和L(6.1222mm，-14.72057mm)、得到線段HW和線段LW，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(2.5mm，-1.25mm)為第一個曲線的圓心，以(2.5mm，0mm)為一端點，以(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(5mm，-1.25mm)為第二個曲線的圓心，以(3.75mm，-1.25mm)為一端點，以(6.25mm，-1.25mm)為另一端點，半徑r2＝1.25mm，作出圓周角為180°，方向為向y軸負方向凸出的圓弧，然後以(7.5mm，-1.25mm)為第三個曲線的圓心，以(6.25mm，-1.25mm)為一端點，以(7.5mm，0mm)為另一端點，半徑r3＝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(7.5mm，-2.5mm)為第四個曲線的圓心，以(7.5mm，0mm)為一端點，以(10mm，-2.5mm)為另一端點，半徑r4＝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(13.75mm，-2.5mm)為第五個曲線的圓心，以(10mm，-2.5mm)為一端點，以H(14.72057mm，-6.1222mm)為另一端點，半徑r5＝3.75mm，作出圓周角為105°，方向為向x軸及y軸負方向凸出的圓弧，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併得到旋轉圖形一，將旋轉圖形一以點為旋轉點，順時針旋轉60°並整體縮小為原來的0.8倍，得到旋轉圖形二，將旋轉圖形二以點為旋轉點，順時針旋轉120°，得到旋轉圖形三，將旋轉圖形一以點為旋轉點，順時針旋轉180°並整體縮小為原來的0.8倍，得到旋轉圖形四，將旋轉圖形一以點為旋轉點，順時針旋轉240°，得到旋轉圖形五，將旋轉圖形一以點為旋轉點，順時針旋轉300°並整體縮小為原來的0.8倍，得到旋轉圖形六，旋轉圖形一、旋轉圖形二、旋轉圖形三、旋轉圖形四、旋轉圖形五和旋轉圖形六合併得到封閉圖形，將封閉圖形的圓形覆蓋面半徑縮小為原來的0.77234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16.59mm、16.59mm、13.41mm和13.41mm，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射頻能量吸收邊角變換天線的回波損耗圖，由圖可知，該射頻能量吸收邊角變換天線的回波損耗為-35dB，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射頻能量吸收邊角變換天線輸入阻抗圖，由圖可知，該射頻能量吸收邊角變換天線在2.45GHz的輸入阻抗為50.87Ω，非常接近標準阻抗50Ω。

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。