傳感設備的製作方法
2023-05-30 21:49:21
專利名稱：傳感設備的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於傳感領域，具體涉及一種帶有超材料天線的傳感設備。
背景技術：
傳感器是能感受規定的被測量件並按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，並能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求，它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。傳感器按照用途可劃分為壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液面傳感器、能耗傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、熱敏傳感器、24GHz雷達傳感器等，通常需要由數據線將傳感器輸出的信息傳送到信息接收端，由於環境或者臨時信息接收端的使用等 不適宜使用數據線進行信號輸送，而只能藉助無線傳輸的方式完成。然而上述無線方式傳輸傳感器輸出信息時，不僅要求電子電路快速處理能力，而且對無線傳輸器件-天線的要求是高速、超寬帶、大容量的傳輸這些信息。天線作為最終射頻信號的輻射單元和接收器件，其工作特性將直接影響整個電子系統的工作性能。然而天線的尺寸、帶寬、增益等重要指標卻受到了基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益極限、帶寬極限等)。這些指標極限的基本原理使得天線的小型化技術難度遠遠超過了其它器件，而由於射頻器件的電磁場分析的複雜性，逼近這些極限值都成為了巨大的技術挑戰。
發明內容為了解決現有傳感設備中存在的問題，本實用新型提供了一種能夠無線輸出的傳感設備，通過應用高性能的超材料內置天線技術，在滿足傳感設備性能要求的前提下實現天線的小型化、內置化，為了達到上述目的，本實用新型採用以下技術方案一傳感設備，包括傳感器，還包括一超材料天線，所述超材料天線包括一介質基板和設置於所述介質基板一表面的一饋電點、與所述饋電點相連接的饋線及一金屬結構；所述饋線與所述金屬結構相互耦合；所述超材料天線接收所述傳感器輸出的電信號，並將所述電信號轉換為電磁波信號射出。進一步地，所述金屬結構是金屬片經鏤刻出槽拓撲結構而成。進一步地,所述超材料天線還包括接地單元,所述接地單元對稱地分布所述饋電點兩側；所述接地單元上設置有若干個金屬化的通孔。進一步地,所述超材料天線還包括一參考地,所述參考地包括位於所述介質基板相對兩表面上的第一參考地單元及第二參考地單元，所述第一參考地單元使所述饋線的一端形成微帶線。進一步地，所述第一參考地單元及第二參考地單元相互電連接。進一步地，所述介質基板設置有若干金屬化通孔，所述第一參考地單元與所述第二參考地單元通過所述金屬化通孔實現電連接。[0011]進一步地，所述第一參考地單元設置有相互電連接的第一金屬面單元及第二金屬面單元，所述第一金屬面單元與所述饋線的一端位置相對，使所述饋線的一端形成所述微帶線；所述第二參考地單元設置有第三金屬面單元，所述第三金屬面單元與所述第二金屬面單元位置相對。進一步地，所述介質基板位於所述第二金屬面單元及所述第三金屬面單元處開設有若干金屬化通孔，所述第二金屬面單元與所述第三金屬面單元通過所述金屬化通孔電連接。進一步地，所述第二參考地單元還包括第四金屬面單元，所述第四金屬面單元位於所述饋線一端的一側，並位於所述饋線的延伸方向上，所述第一金屬面單元與所述第四金屬面單元通過所述金屬化通孔電連接。進一步地，所述超材料天線的諧振頻段至少包括2. 4GHz-2. 49GHz和5. 72GHz-5. 85GHz。 本實用新型的傳感設備採用超材料天線技術，能夠實現天線的小型化及內置，基於超材料天線技術設計出使一個波段、兩個或者更多不同波段的電磁波諧振的超材料天線，決定該天線體積的金屬結構尺寸的物理尺寸不受半波長的物理長度限制，可以根據傳感設備本身尺寸設計出相應的天線，能夠滿足傳感設備小型化、天線內置的需求。另外，通過內置超材料天線，可以實現傳感器獲取的信號的無線傳輸，節約了所需的數據線，減少了環境的影響。
圖I為本實用新型傳感設備實施例I的模塊圖；圖2為本實用新型傳感設備實施例2的模塊圖；圖3是本實用新型傳感設備中的天線第一實施方式的主視圖；圖4為圖3所示天線後視圖；圖5是本實用新型的天線第一實施方式S參數仿真圖；圖6是本實用新型傳感設備中的天線第二實施方式的主視圖；圖7是本實用新型傳感設備中的天線第三實施方式的主視圖；圖8為本實用新型天線的第二、三實施方式上的金屬結構放大圖；圖9是本實用新型的天線第三實施方式S參數仿真圖；圖10是本實用新型的天線第三實施方式操作於2. 4、2.44、2. 48GHz時E方向遠場仿真結果圖；圖11是本實用新型的天線第三實施方式操作於2. 4、2.44、2. 48GHz時H方向遠場仿真結果圖；圖12是本實用新型的天線第三實施方式操作於5. 725,5. 8,5. 85GHz時E方向遠場仿真結果圖；圖13是本實用新型的天線第三實施方式操作於5. 725、5.8、5. 85GHz時H方向遠場仿真結果圖。
具體實施方式
[0029]
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型傳感設備做一步說明。[0030]參閱圖1，是本實用新型中的傳感設備實施例I的模塊圖。其中，傳感設備100包括超材料天線10及傳感器11。所述超材料天線10接收傳感器11輸出的電信號，並將該電信號轉化為電磁波信號射出。在本實用新型中，所述傳感設備100包括但不限於壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液面傳感器、能耗傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、熱敏傳感器、24GHZ雷達傳感器等。上述傳感設備通過無線方式輸出電信號減少了環境的影響，避免使用數據線，從而可以降低傳感設備的應用成本。參閱圖2，是本實用新型的傳感設備的實施例2的模塊圖。與實施例I不同的是傳感器還包括了信號處理模塊111，通過信號處理模塊111可以將傳感器11輸出的非電信號轉換為電信號，再輸出給超材料天線10。本實用新型傳感設備中天線是基於人工電磁材料技術設計而成，人工電磁材料是指將金屬片鏤刻成特定形狀的拓撲金屬結構，並將所述特定形狀的拓撲金屬結構設置於一定介電常數和磁導率基材上而加工製造的等效特種電磁材料，其性能參數主要取決於其亞波長的特定形狀的拓撲金屬結構。在諧振頻段，人工電磁材料通常體現出高度的色散特性，換言之，天線的阻抗、容感性、等效的介電常數和磁導率隨著頻率會發生劇烈的變化。因而可採用人工電磁材料技術對上述天線的基本特性進行改造，使得金屬結構與其依附的介質基板等效地組成了一個高度色散的特種電磁材料，從而實現輻射特性豐富的新型天線。以下詳細介紹應用傳感設備中幾個實施方式第一實施方式請一併參閱圖3及圖4,超材料天線10包括介質基板I、金屬結構2、饋線3及參考地41、42，所述介質基板I呈長方板狀，其可由高分子聚合物、陶瓷、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料等材質製成。在本實施例中，所述介質基板I的材質採用玻纖材質(FR4)製成，因而不僅成本低，而且可保證在不同的工作頻率中保持良好的天線工作特性。所述金屬結構2、饋線3及參考地41、42分別置於所述介質基板I的相對的兩表面上，所述金屬結構2、饋線3及參考地41、42與所述介質基板I形成超材料天線，所述超材料天線的性能取決於所述金屬結構2，在諧振頻段，超材料通常體現出高度的色散特性，即其阻抗、容感性、等效的介電常數和磁導率隨著頻率會發生劇烈的變化，因而通過改變所述金屬結構2及介質基板I的基本特性，便使得所述金屬結構2與介質基板I等效地組成一個按照洛倫茲材料諧振模型的高度色散的特種電磁材料。請參閱圖5，本實施例中的超材料天線的工作頻段是2. 4GHZ 2. 49GHZ及5. 72GHZ 5. 85GHZ，上述該兩頻段的增益分別可達3. 58dBi及3. HdBi0可以理解的是，可以設置超材料天線10隻響應頻率為2. 4GHZ 2. 49GHZ頻段，即單頻天線。所述饋線3設置在所述金屬結構2的一側，並沿著所述金屬結構2的長度方向延伸，其與所述金屬結構2相互耦合，其中，所述饋線3的一端彎折延伸至所述金屬結構2端部一側。此外，可根據需要在所述饋線3與金屬結構2之間的空間中嵌入容性電子元件，通過嵌入容性電子元件調節饋線3與金屬結構2之間的信號耦合，由公式f=1/ (27lVZC )，可知電容值的大小和工作頻率的平方成反比，所以當需要的工作頻率為較低工作頻率時，可以通過適當的嵌入容性電子元件實現。加入的容性電子元件的電容值範圍通常在0-2pF之間，不過隨著天線工作頻率的變化嵌入的電容值也可能超出0-2pF的範圍。[0038]所述參考地位於所述饋線3的一側，使所述饋線3的位於所述金屬結構2端部的一端形成微帶線31。在本實施例中,所述參考地包括第一參考地單元41及第二參考地單元42，所述第一參考地單元41及第二參考地單元42分別位於所述介質基板I的相對兩表面。所述第一參考地單元41設置有相互電連接的第一金屬面單元411及第二金屬面單元412。所述第二參考地單元42與所述饋線3位於所述介質基板I的同一側，並設置有第三金屬面單元421及第四金屬面單元422。所述第一金屬面單元411與所述饋線3位置相對，使所述饋線3的位於所述金屬結構2端部的一端形成所述微帶線31，即所述參考地為虛擬地。所述第二金屬面單元412 與所述第三金屬面單元421位置相對。所述第三金屬面單元421位於所述金屬結構2的一端，所述第三金屬面單元421呈長方面板狀，並與所述饋線3的延伸方向相同。所述介質基板I位於所述第二金屬面單元412及所述第三金屬面單元421處開設有若干金屬化通孔5，所述第二金屬面單元412與所述第三金屬面單元421通過所述金屬化通孔5電連接。所述第四金屬面單元422位於所述饋線3 —端的一側，並位於所述饋線3的延伸方向上。所述介質基板I位於所述第一金屬面單元411及所述第四金屬面單元422處開設有若干金屬化通孔5，所述第一金屬面單元411與所述第四金屬面單元422通過所述金屬化通孔5電連接。通過第一金屬面單元411與所述饋線3的一端形成所述微帶線31，因而可減少外部信號對在所述饋線3上傳送的信號幹擾，提高天線增益，實現較好的阻抗匹配，節省材料，成本低。所述第一金屬面單元411至第四金屬面單元422之間通過巧妙的位置設置，因而使所述參考地佔用較小的空間，便實現較大的面積。此外，通過設置所述金屬化通孔5，因而可進一步提高所述參考地的面積。綜上所述，本實用新型的超材料天線通過精密地控制金屬結構2的拓撲形態及布局所述微帶線31，得到需要的等效介電常數和磁導率分布，使天線能夠在工作頻段內實現較好的阻抗匹配，高效率地完成能量轉換，並得到理想的輻射場型，其佔用體積小，對環境要求低，增益高，應用範圍廣，適用傳感設備的內置天線。第二實施方式如圖6所示，為本實用新型實施例的超材料天線10的結構示意圖。本實施例中的超材料天線10包括介質基板7以及設置在介質基板7上的饋電點5、與該饋電點5相連接的饋線4、平面板狀的金屬結構6。其中，饋線4與金屬結構6相互耦合；金屬結構6是金屬片經鏤刻出槽拓撲結構61而成，鏤刻時去除槽拓撲結構61對應的材料，剩餘的金屬片即為金屬結構6，在鏤刻出槽拓撲結構61後，金屬片上呈現出包括在金屬結構6內的金屬走線62 ;槽拓撲結構61中相鄰槽的間距即為金屬走線62的寬度，槽拓撲結構61的槽寬與金屬走線62的寬度相等，且均為0. 15mm ;介質基板7可由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料製成，優選地，由高分子材料製成，具體地可以是FR-4、F4B等高分子材料。在本實施例中，金屬結構6為軸對稱的平面板狀。其中金屬結構6為銅或銀材料製成。優選為銅，價格低廉，導電性能好。為了實現更好阻抗匹配，金屬結構6也可為銅和銀組合。請參閱圖7，為本實用新型第三實施方式主視圖，第三實施方式與第二實施方式區別在於還包括接地單元8，接地單元8上設置有若干金屬化的通孔81 ;接地單元8對稱地分布所述饋電點5兩側，介質基板7的選擇與實施例I相同。圖8所示為第二實施方式與第三實施方式的金屬結構的放大圖。可以理解地是，饋線4與金屬結構6之間信號饋入方式可以有多種。所述饋線4直接與所述金屬結構6相連；且所述饋線4與金屬結構6的相連接點位置可以位於金屬結構6上的任意位置。饋線4採用包圍方式設置於所述金屬結構6外圍且饋線4的末端設置於金屬結構6外圍任意位置。本超材料天線利用人工電磁材料的特性，採用在金屬片上鏤刻成金屬結構的方式，使得金屬結構及與金屬結構所依附的介質基 板共同組成一個等效介電常數按照洛侖茲材料諧振模型色散的電磁材料，從而設計出多諧振頻段的天線。第二實施方式與第三實施方式所示的天線使2. 4GHz-2. 49GHz和5. 72GHz-5. 85GHz兩個頻段電磁波諧振，金屬結構6的長和寬都可以根據通訊設備機構布局做任意調整，但是金屬結構6結構形狀保持與第二、三實施方式中一致即可，該超材料天線可以用於單頻2. 4GHz-2. 49GHz或5. 72GHz-5. 85GHz頻段的通訊設備，也可以用於雙頻2. 4GHz-2. 49GHz和5. 72GHz-5. 85GHz頻段的通訊設備。如圖9所示為本實用新型第三實施方式的S參數仿真圖，該圖示出了第三實施方式的天線在2. 4GHz和5. 8018GHz分別具有_15. 426dB和-19. 184dB的損耗，在本實用新型所要求的2. 4GHz-2. 49GHz和5. 72GHz_5. 85GHz頻率段內均具有-IOdB以下的損耗，表明本實用新型天線能夠單獨在2. 4GHz-2. 49GHz或5. 72GHz_5. 85GHz頻率段內工作，也可以同時在2. 4GHz-2. 49GHz和5. 72GHz_5. 85GHz頻率段內工作，並且滿足傳感設備中對超材料天線10的要求。圖10、圖11、圖12及圖13分別示出了本實用新型第三實施方式超材料天線10操作於2. 4,2. 44,2. 48GHz和5. 725,5. 8,5. 85GHz時分別在垂直平面(E-Plane)和水平平面(H-Plane)方向遠場仿真結果圖，在此結果中能夠觀察到本實用新型的超材料天線的極化效果不亞於現有天線並符合應用標準。本實用新型中，關於超材料天線10的加工製造，只要滿足本實用新型的設計原理，可以採用各種製造方式。最普通的方法是使用各類印刷電路板(PCB)的製造方法，如覆銅的PCB製造均可滿足本實用新型的加工要求。除此加工方式，還可以根據實際的需要引入其它加工手段，如導電銀漿油墨加工方式、各類可形變器件的柔性PCB加工、鐵片天線的加工方式以及鐵片與PCB組合的加工方式。其中，鐵片與PCB組合加工方式是指利用PCB的精確加工來完成槽拓撲結構的加工，用鐵片來完成其它輔助部分。由於採用低成本的銅材料形成所述金屬結構6，因此暴露空氣中容易被氧化而使超材料天線10諧振頻率偏移或者性能急劇下降，因此超材料天線表面上設置有非金屬的防氧化薄膜。由於本實用新型的主要性能都集中在金屬結構6槽拓撲結構61的設計，因此，饋線4的引線對超材料天線10的輻射頻率影響相對較小。基於這個特點，超材料天線可以被靈活的擺放在系統的任何位置，簡化的安裝測試的複雜度。上面結合附圖對本實用新型的實施例進行了描述，但是本實用新型並不局限於上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本實用新型的啟示下，在不脫離本實用新型宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬於本實用新型的保護之內。
權利要求1.ー傳感設備，包括傳感器，其特徵在於，還包括一超材料天線，所述超材料天線包括一介質基板和設置於所述介質基板一表面的ー饋電點、與所述饋電點相連接的饋線及一金屬結構；所述饋線與所述金屬結構相互耦合；所述超材料天線接收所述傳感器輸出的電信號，並將所述電信號轉換為電磁波信號射出。
2.根據權利要求I所述的傳感設備，其特徵在於，所述金屬結構是金屬片經鏤刻出槽拓撲結構而成。
3.根據權利要求I所述的傳感設備，其特徵在於，所述超材料天線還包括接地単元，所述接地單元對稱地分布所述饋電點兩側；所述接地単元上設置有若干個金屬化的通孔。
4.根據權利要求I所述的傳感設備，其特徵在於，所述超材料天線還包括ー參考地，所述參考地包括位於所述介質基板相對兩表面上的第一參考地単元及第ニ參考地単元，所述第一參考地単元使所述饋線的一端形成微帶線。
5.根據權利要求4所述的傳感設備，其特徵在幹，所述第一參考地単元及第ニ參考地單元相互電連接。
6.根據權利要求5所述的傳感設備，其特徵在於，所述介質基板設置有若干金屬化通孔，所述第一參考地単元與所述第二參考地単元通過所述金屬化通孔實現電連接。
7.根據權利要求6所述的傳感設備，其特徵在幹，所述第一參考地單元設置有相互電連接的第一金屬面単元及第ニ金屬面単元，所述第一金屬面単元與所述饋線的一端位置相對，使所述饋線的一端形成所述微帶線；所述第二參考地單元設置有第三金屬面単元，所述第三金屬面単元與所述第二金屬面単元位置相対。
8.根據權利要求7所述的傳感設備，其特徵在幹，所述介質基板位於所述第二金屬面単元及所述第三金屬面単元處開設有若干金屬化通孔，所述第二金屬面単元與所述第三金屬面單元通過所述金屬化通孔電連接。
9.根據權利要求7所述的傳感設備，其特徵在於，所述第二參考地單元還包括第四金屬面單元，所述第四金屬面単元位於所述饋線一端的ー側，並位於所述饋線的延伸方向上，所述第一金屬面単元與所述第四金屬面単元通過所述金屬化通孔電連接。
10.根據權利要求1-9任ー項所述的傳感設備，其特徵在於，所述超材料天線的諧振頻段至少包括 2. 4GHz-2. 49GHz 和 5. 72GHz_5. 85GHz。
專利摘要本實用新型提供了一種傳感設備，包括傳感器和一超材料天線，超材料天線包括一介質基板和設置於介質基板一表面的一饋電點、與饋電點相連接的饋線及一金屬結構；饋線與所述金屬結構相互耦合；超材料天線接收傳感器輸出的電信號，並將電信號轉換為電磁波信號射出。本實用新型的傳感設備採用超材料天線技術，能夠實現天線的小型化及內置，基於超材料天線技術設計出使一個波段、兩個或者更多不同波段的電磁波諧振的超材料天線，決定該天線體積的金屬結構尺寸的物理尺寸不受半波長的物理長度限制，可以根據傳感設備本身尺寸設計出相應的天線，能夠滿足傳感設備小型化、天線內置的需求。
文檔編號H01Q5/01GK202395144SQ20112037254
公開日2012年8月22日 申請日期2011年9月30日 優先權日2011年9月30日
發明者劉若鵬, 徐冠雄 申請人:深圳光啟創新技術有限公司, 深圳光啟高等理工研究院