高频电磁波能量转换装置的制作方法

本发明属于电磁能量接收天线技术领域，具体涉及一种用于接收环境中射频能量的高频电磁波能量转换装置。

背景技术：

随着硅微电子技术的发展，电子系统的功耗越来越低，出现了微瓦级功耗的电子系统，使得系统能够从周围环境中收集能量以供自身持续工作成为可能，这种能够从周围环境中收集能量以供自身持续工作的系统称为自供电(self-powering)或者自充电(self-rechargeable)、免电池(battery-less)电子微系统。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供了一种结构简单且设计合理的高频电磁波能量转换装置，该天线较其它天线而言拥有的更小的尺寸、相对较低的回拨损耗、良好的阻抗匹配和较高的增益。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，高频电磁波能量转换装置，其特征在于包括由上到下尺寸一致且相互贴合的介质覆盖层、介质基板和接地板，其中与介质覆盖层贴合一侧的介质基板上贴附有金属天线贴片、反射器和引向器，介质基板的中部设有垂直贯穿介质基板的圆柱形金属导体，接地板上设有与圆柱形金属导体底面同心的圆孔；所述介质覆盖层的材料为Rogers RO6002，介电常数ε_r＝2.94，厚度d＝0.51mm，长度和宽度均为30mm；所述金属天线贴片的圆形覆盖面的半径为0.1λ，其中λ＝122mm，λ为2.45GHz射频的波长，厚度为0.02mm，材料为铜，所述介质基板的材料为Rogers RO6010，介电常数ε_r＝10.2，厚度d＝2.54mm，长度和宽度均为30mm，金属天线贴片的中心点与介质基板上表面的中心点位置一致；所述金属天线贴片的设计形状及尺寸满足如下要求，建立平面直角坐标系，将原点(0mm，0mm)作为起点，沿x轴正方向作出一条长为18mm的线段一，将线段一以点(18mm，0mm)作为旋转点逆时针旋转140°得到线段二，再沿线段二与x轴夹角为40°的方向，在坐标轴第四区间内延长到原来的3倍得到延长线段二，该延长线段二以直线为对称轴作镜面对称得到延长线段三，延长线段二和延长线段三的交点为此点在直线上，将延长线段二和延长线段三的相交线在直线两侧较短的线段部分分别删去，再次将原点(0mm，0mm)作为起点，沿x轴正方向作出一条长为2.5mm的线段，以B(2.5mm，-1.25mm)为第一个曲线的圆心，以A(2.5mm，0mm)为一端点，以B₁(3.75mm，-1.25mm)为另一端点，半径r₁＝1.25mm，作出圆周角为90°，方向为向x轴及y轴正方向凸出的圆弧，以C(4.0625mm，-1.25mm)为第二个曲线的圆心，以B₁(3.75mm，-1.25mm)为一端点，以C₁(4.375mm，-1.25mm)为另一端点，半径r₂＝0.3125mm，作出圆周角为180°，方向为沿y轴负方向凸出的圆弧，以D(4.6875mm，-1.25mm)为第三个曲线的圆心，以C₁(4.375mm，-1.25mm)为一端点，以D₁(5mm，-1.25mm)为另一端点，半径r₃＝0.3125mm，作出圆周角为180°，方向为沿y轴正方向凸出的圆弧，以E(5.625mm，-1.25mm)为第四个曲线的圆心，以D₁(5mm，-1.25mm)为一端点，以E₁(6.25mm，-1.25mm)为另一端点，半径r₄＝0.625mm，作出圆周角为180°，方向为沿y轴负方向凸出的圆弧，以F(7.5mm，-1.25mm)为第五个曲线的圆心，以E₁(6.25mm，-1.25mm)为一端点，以F₁(7.5mm，0mm)为另一端点，半径r₅＝1.25mm，作出圆周角为90°，方向为向x轴负方向及y轴正方向凸出的圆弧，以G(7.5mm，-2.5mm)为第六个曲线的圆心，以F₁(7.5mm，0mm)为一端点，以G₁(10mm，-2.5mm)为另一端点，半径r₆＝2.5mm，作出圆周角为90°，方向为向x轴及y轴正方向凸出的圆弧，以H(11.875mm，-2.5mm)为第七个曲线的圆心，以G₁(10mm，-2.5mm)为一端点，以H₁(13.75mm，-2.5mm)为另一端点，半径r₇＝1.875mm，作出圆周角为180°，方向为向y轴负方向凸出的圆弧，以I(16.25mm，-2.5mm)为第八个曲线的圆心，以H₁(13.75mm，-2.5mm)为一端点，以I₁(16.25mm，0mm)为另一端点，半径r₈＝2.5mm，作出圆周角为90°，方向为向x轴负方向及y轴正方向凸出的圆弧，以I₁(16.25mm，0mm)为一端点，b(18mm，0mm)为另一端点，作一长度为1.75mm的线段，在x轴和y轴平面内得到初始图形一，将初始图形一以直线为对称轴作镜面对称得到初始图形二，初始图形一、初始图形二、延长线段二和延长线段三合并得到旋转图形一，将旋转图形一以点为旋转点，依次顺时针旋转20°、40°、60°、80°、100°、120°、140°、160°、180°、200°、220°、240°、260°、280°、300°、320°和340°，分别得到旋转图形二、旋转图形三、旋转图形四、旋转图形五、旋转图形六、旋转图形七、旋转图形八、旋转图形九、旋转图形十、旋转图形十一、旋转图形十二、旋转图形十三、旋转图形十四、旋转图形十五、旋转图形十六、旋转图形十七和旋转图形十八，旋转图形一、旋转图形二、旋转图形三、旋转图形四、旋转图形五、旋转图形六、旋转图形七、旋转图形八、旋转图形九、旋转图形十、旋转图形十一、旋转图形十二、旋转图形十三、旋转图形十四、旋转图形十五、旋转图形十六、旋转图形十七和旋转图形十八合并得到封闭图形，将封闭图形的圆形覆盖面的半径缩小到原来的0.1831倍得到所需金属天线贴片的设计形状及尺寸，按照设计形状及尺寸裁剪得到金属天线贴片；所述引向器为矩形金属条一，该矩形金属条一的长度和宽度分别为10mm和0.47mm，其长边与介质基板的左右侧边平行，短边与介质基板的上下侧边平行，中心点与介质基板左右侧边的垂直距离分别为28mm和2mm，中心点与介质基板上下侧边的垂直距离分别为15mm和15mm，所述反射器为矩形金属条二，该矩形金属条二的长度和宽度分别为18mm和0.46mm，其长边与介质基板的左右侧边平行，短边与介质基板的上下侧边平行，中心点与介质基板左右侧边的垂直距离分别为1.2mm和28.8mm，中心点与介质基板上下侧边的垂直距离分别为15mm和15mm；所述圆柱形金属导体的一端与金属天线贴片连接，圆柱形金属导体的材料为铜，其底面半径r＝0.5mm，厚度d＝2.54mm，圆柱形金属导体与金属天线贴片的连接处圆心与介质基板四条侧边的垂直距离分别为16.63mm、16.63mm、13.37mm和13.37mm，与圆柱形金属导体相对的接地板上圆孔的孔径R＝1.9mm，所述圆柱形金属导体另一端的输出接口与能量管理电路相连，该能量管理电路用于将吸收到的能量进行储存。

本发明的技术效果为：高频电磁波能量转换装置具有更低的回波损耗、良好的阻抗匹配和驻波以及较高的增益，从而能够高效接收环境中的射频能量。

附图说明

图1是金属天线贴片的结构示意图；

图2是高频电磁波能量转换装置结构示意图；

图3是利用HFSS天线模拟仿真软件模拟的高频电磁波能量转换装置的回波损耗图；

图4是利用HFSS天线模拟仿真软件模拟的高频电磁波能量转换装置的驻波比图。

图中：1、介质覆盖层，2、介质基板，3、接地板，4、金属天线贴片，5、反射器，6、引向器，7、圆柱形金属导体，8、圆孔。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明具体实施过程中的技术方案进行清楚、完整、具体的描述。

此发明的核心部分是高频电磁波能量转换装置设计，在微带天线设计时需要对高频电磁波能量转换装置的金属天线贴片的尺寸，介质基板的尺寸、厚度进行理论上的估算，才能在模拟实验的时候更加快速精确的找到适合特定频率的高频电磁波能量转换装置。所以下面以矩形微带天线为例，讲解微带天线各个数据参数的理论计算方法。

贴片尺寸L×W，贴片宽度W为：

在(1)式中，c为光速，f₀为禁带中心频率，ε_r为相对介电常数。

微带天线介质基板的相对有效介电常数ε_re为：

h表示介质层厚度，为了降低表面波辐射对天线性能的影响，介质基片的厚度应该满足一下的理论计算公式：

其中f_u为微带天线的工作的最高频率。

微带天线的等效辐射缝隙长度△L为：

则微带天线贴片的长度L为：

接地板的尺寸L_g×W_g满足下列理论公式

L_g≥L+6h (6)

W_g≥W+6h (7)

矩形微带天线用的是同轴线进行馈电，当确定了矩形贴片的长度和宽度后，一般在微带天线中加入50Ω的标准阻抗。

如图1-2所示，高频电磁波能量转换装置，包括由上到下尺寸一致且相互贴合的介质覆盖层1、介质基板2和接地板3，其中与介质覆盖层1贴合一侧的介质基板2上贴附有金属天线贴片4、反射器5和引向器6，介质基板2的中部设有垂直贯穿介质基板2的圆柱形金属导体7，接地板3上设有与圆柱形金属导体7底面同心的圆孔8；所述介质覆盖层1的材料为Rogers RO6002，介电常数ε_r＝2.94，厚度d＝0.51mm，长度和宽度均为30mm；所述金属天线贴片4的圆形覆盖面的半径为0.1λ，其中λ＝122mm，λ为2.45GHz射频的波长，厚度为0.02mm，材料为铜，所述介质基板2的材料为Rogers RO6010，介电常数ε_r＝10.2，厚度d＝2.54mm，长度和宽度均为30mm，金属天线贴片4的中心点与介质基板2上表面的中心点位置一致；所述金属天线贴片4的设计形状及尺寸满足如下要求，建立平面直角坐标系，将原点(0mm，0mm)作为起点，沿x轴正方向作出一条长为18mm的线段一，将线段一以点(18mm，0mm)作为旋转点逆时针旋转140°得到线段二，再沿线段二与x轴夹角为40°的方向，在坐标轴第四区间内延长到原来的3倍得到延长线段二，该延长线段二以直线为对称轴作镜面对称得到延长线段三，延长线段二和延长线段三的交点为此点在直线上，将延长线段二和延长线段三的相交线在直线两侧较短的线段部分分别删去，再次将原点(0mm，0mm)作为起点，沿x轴正方向作出一条长为2.5mm的线段，以B(2.5mm，-1.25mm)为第一个曲线的圆心，以A(2.5mm，0mm)为一端点，以B₁(3.75mm，-1.25mm)为另一端点，半径r₁＝1.25mm，作出圆周角为90°，方向为向x轴及y轴正方向凸出的圆弧，以C(4.0625mm，-1.25mm)为第二个曲线的圆心，以B₁(3.75mm，-1.25mm)为一端点，以C₁(4.375mm，-1.25mm)为另一端点，半径r₂＝0.3125mm，作出圆周角为180°，方向为沿y轴负方向凸出的圆弧，以D(4.6875mm，-1.25mm)为第三个曲线的圆心，以C₁(4.375mm，-1.25mm)为一端点，以D₁(5mm，-1.25mm)为另一端点，半径r₃＝0.3125mm，作出圆周角为180°，方向为沿y轴正方向凸出的圆弧，以E(5.625mm，-1.25mm)为第四个曲线的圆心，以D₁(5mm，-1.25mm)为一端点，以E₁(6.25mm，-1.25mm)为另一端点，半径r₄＝0.625mm，作出圆周角为180°，方向为沿y轴负方向凸出的圆弧，以F(7.5mm，-1.25mm)为第五个曲线的圆心，以E₁(6.25mm，-1.25mm)为一端点，以F₁(7.5mm，0mm)为另一端点，半径r₅＝1.25mm，作出圆周角为90°，方向为向x轴负方向及y轴正方向凸出的圆弧，以G(7.5mm，-2.5mm)为第六个曲线的圆心，以F₁(7.5mm，0mm)为一端点，以G₁(10mm，-2.5mm)为另一端点，半径r₆＝2.5mm，作出圆周角为90°，方向为向x轴及y轴正方向凸出的圆弧，以H(11.875mm，-2.5mm)为第七个曲线的圆心，以G₁(10mm，-2.5mm)为一端点，以H₁(13.75mm，-2.5mm)为另一端点，半径r₇＝1.875mm，作出圆周角为180°，方向为向y轴负方向凸出的圆弧，以I(16.25mm，-2.5mm)为第八个曲线的圆心，以H₁(13.75mm，-2.5mm)为一端点，以I₁(16.25mm，0mm)为另一端点，半径r₈＝2.5mm，作出圆周角为90°，方向为向x轴负方向及y轴正方向凸出的圆弧，以I₁(16.25mm，0mm)为一端点，b(18mm，0mm)为另一端点，作一长度为1.75mm的线段，在x轴和y轴平面内得到初始图形一，将初始图形一以直线为对称轴作镜面对称得到初始图形二，初始图形一、初始图形二、延长线段二和延长线段三合并得到旋转图形一，将旋转图形一以点为旋转点，依次顺时针旋转20°、40°、60°、80°、100°、120°、140°、160°、180°、200°、220°、240°、260°、280°、300°、320°和340°，分别得到旋转图形二、旋转图形三、旋转图形四、旋转图形五、旋转图形六、旋转图形七、旋转图形八、旋转图形九、旋转图形十、旋转图形十一、旋转图形十二、旋转图形十三、旋转图形十四、旋转图形十五、旋转图形十六、旋转图形十七和旋转图形十八，旋转图形一、旋转图形二、旋转图形三、旋转图形四、旋转图形五、旋转图形六、旋转图形七、旋转图形八、旋转图形九、旋转图形十、旋转图形十一、旋转图形十二、旋转图形十三、旋转图形十四、旋转图形十五、旋转图形十六、旋转图形十七和旋转图形十八合并得到封闭图形，将封闭图形的圆形覆盖面的半径缩小到原来的0.1831倍得到所需金属天线贴片4的设计形状及尺寸，按照设计形状及尺寸裁剪得到金属天线贴片4；所述引向器6为矩形金属条一，该矩形金属条一的长度和宽度分别为10mm和0.47mm，其长边与介质基板2的左右侧边平行，短边与介质基板2的上下侧边平行，中心点与介质基板2左右侧边的垂直距离分别为28mm和2mm，中心点与介质基板2上下侧边的垂直距离分别为15mm和15mm，所述反射器5为矩形金属条二，该矩形金属条二的长度和宽度分别为18mm和0.46mm，其长边与介质基板2的左右侧边平行，短边与介质基板2的上下侧边平行，中心点与介质基板2左右侧边的垂直距离分别为1.2mm和28.8mm，中心点与介质基板2上下侧边的垂直距离分别为15mm和15mm；所述圆柱形金属导体7的一端与金属天线贴片4连接，圆柱形金属导体7的材料为铜，其底面半径r＝0.5mm，厚度d＝2.54mm，圆柱形金属导体7与金属天线贴片4的连接处圆心与介质基板2四条侧边的垂直距离分别为16.63mm、16.63mm、13.37mm和13.37mm，与圆柱形金属导体7相对的接地板3上圆孔8的孔径R＝1.9mm，所述圆柱形金属导体7另一端的输出接口与能量管理电路相连，该能量管理电路用于将吸收到的能量进行储存。

图3是利用HFSS天线模拟仿真软件模拟的高频电磁波能量转换装置的回波损耗图，由图可知，该高频电磁波能量转换装置的回波损耗为-37dB，比其它相同体积天线的回波损耗还要小，性能非常好。

图4是利用HFSS天线模拟仿真软件模拟的高频电磁波能量转换装置的驻波比，由图可知，该高频电磁波能量转换装置在2.45GHz的驻波比为1.21，非常接近1。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。