本实用新型涉及无线通信技术领域，具体是一种应用于能量收集的光子晶体天线。
背景技术：
近年来，无线传感网络(Wireless Senor Networks，WSN)在许多领域得到应用，如灾害管理、基础设施监控等。越来越多的微型或便携式无线通信设备或网络节点被应用于现实生活中，这些无线设备的主要能源供应来源是电池。然而电池的使用给无线设备引入不小的体积；此外，电池的寿命有限，对于某些特定场合应用的无线设备(如无线传感器网络节点、植入式电子设备等)，更换电池的代价是非常昂贵的，废旧电池也容易引起环境污染。这些问题使人们开始关注并寻找电池的辅助或替代方案，即一种可持续、无需人工维护、对环境友好的供电方式。其中，能量收集技术在近几年受到了人们的广泛关注。
能量收集天线在设计时具有不同的形式，并且要求天线具有较高的增益和带宽。Luís M.Borges在论文《Design and Evaluation of Multi-Band RF Energy Harvesting Circuits and Antennas for WSNs》介绍了一种收集GSM频段射频能量的双频天线，但天线在两个频点的增益过低，影响能量收集的效果。公布号为 CN101369685A的专利公开一种光子晶体贴片天线，该天线运用光子晶体的禁带效应，抑制了沿基底底板介质传播的表面波，增加了天线的增益，但也存在天线的尺寸较大等问题。
技术实现要素：
为解决现有技术的不足，本实用新型提供了一种应用于能量收集的光子晶体天线。该光子晶体天线结构新颖，以不规则贴片作为辐射单元，使天线能够正常工作在2.45GHz频段。天线正面加了缝隙结构，能够使天线获得更好的阻抗匹配。背面采用了光子晶体结构用于抑制天线表面波，改善天线的增益和方向性，满足天线更高效收集能量的要求。
本实用新型解决所述技术问题的技术方案是，设计一种应用于能量收集的光子晶体天线，其特征在于，包括介质基板、辐射单元、微带馈线、接地面，所述接地面印刷在介质基板背面的底部，所述介质基板正面印刷有辐射单元和微带馈线，辐射单元在介质基板正面的上方，微带馈线在辐射单元的正下方，馈电端口通过微带馈线给天线馈电；所述辐射单元为矩形切去左上方、右上方两个正方形、下方切去一个矩形而形成的多边形；所述介质基板背面的接地面上设置有光子晶体结构。
与现有技术相比，本实用新型天线的有益效果是：本实用新型通过使用不规则形状的辐射单元，使天线能够正常工作在2.45GHz频段；在接地面上刻出周期性排列的孔结构，提高了微带天线的性能，抑制天线在高频处产生的高次谐波，改善了天线的增益和回波损耗；并且此种光子晶体结构直接被应用于微带天线背部的接地板上，所以不会增加微波电路的尺寸；天线结构新颖、简单，体积小，成本低。
附图说明
图1是本实用新型光子晶体天线一种实施例的正面结构示意图。
图2是本实用新型光子晶体天线一种实施例的背面结构示意图。
图3是本实用新型实施例1的引入和未引入光子晶体结构时天线的回波损耗对比图。
图4是本实用新型实施例1的光子晶体天线的电压驻波比曲线图。
图5是本实用新型实施例1的引入和未引入光子晶体结构时天线在E面辐射方向图对比。
图6是本实用新型实施例1的引入和未引入光子晶体结构时天线在H面辐射方向图对比。
图7是本实用新型实施例1的光子晶体天线在2.45GHz的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步的详细说明。
本实用新型应用于能量收集的光子晶体天线(简称天线，参见图1-2)，包括介质基板1、辐射单元2、微带馈线3、接地面4，所述接地面4印刷在介质基板1背面的底部，所述介质基板1正面印刷有辐射单元2和微带馈线3，辐射单元2在介质基板1正面的上方，微带馈线3在辐射单元的正下方，馈电端口通过微带馈线3给天线馈电。
所述辐射单元2为矩形切去左上方、右上方两个正方形、下方切去一个矩形而形成的多边形。
所述辐射单元2上方切去的两个正方形的形状尺寸相同；所述辐射单元2 下方切去的矩形位于辐射单元2下方的中部。
所述介质基板1背面的接地面4上设置有光子晶体结构5；所述的光子晶体结构，为3列×4行规则排布的正方形孔，正方形孔边长为8.8mm。
所述光子晶体结构5可以由腐蚀得到。
所述辐射单元上方切去正方形的边长与辐射单元总长度的比为5.7:33.3，所述辐射单元上方切去正方形的边长与辐射单元总宽度的比为5.7:30.1；所述辐射单元下方切去矩形的长度与辐射单元总长度的比为1:30，所述辐射单元下方切去矩形的宽度与辐射单元总宽度的比为5.5:30.1。
实施例1
本实施例光子晶体天线包括介质基板1、辐射单元2、微带馈线3和接地面 4，所述介质基板背面印刷有接地面，接地面在介质基板背面的底部，所述介质基板正面印刷有辐射单元和微带馈线，辐射单元在介质基板正面的上方，微带馈线在辐射单元的正下方。
本实施例中介质基板1的形状为正方形，其材料是聚四氟乙烯(FR4)，其介电常数是4.4，介质基板1的尺寸是60mm×60mm×1.6mm。
所述辐射单元上方切去的两个正方形的形状尺寸相同，边长为ab＝5.7mm；所述辐射单元下方切去的两个矩形形状尺寸相同，矩形长度为ce＝5.55mm、宽度为cd＝5.5mm，且为轴左右对称。图1中切去两个正方形和两个矩形后的形状2和微带馈线3构成了天线的辐射单元，其中g点到f点的尺寸是gf＝24.4mm， a点到h点的尺寸是ah＝21.9mm。
所述微带馈线3的长宽尺寸是19.5mm×4.4mm；
在介质基板1的背面有接地面4，其特征在于在接地面4上有光子晶体结构 5；所述光子晶体结构5是3列×4行的周期性正方形孔，其中j点到k点的尺寸即边长jk＝8.8mm；第一行正方形方孔的顶部边长与介质基板顶部边长之间的距离为2.7mm，第四行正方形方孔的底部边长与介质基板底部边长之间的距离为2.6mm，方孔间行间距为6.5mm，方孔间列间距为14.75mm；第一列正方形方孔的左侧竖直边与介质板左侧边长之间的距离为2.05mm。
图3为本实施例天线引入和未引入光子晶体结构时的回波损耗对比图。从图3中看出采用光子晶体结构的天线性能得到了明显的提高。未引入PBG结构前，由于天线表面波的存在，天线在高频处存在较大辐射，影响天线的谐振状态，导致天线的匹配无法达到最佳，而且还在一定程度上降低了天线的增益，影响了微带天线的性能。引入PBG结构后，一方面，天线在2.45GHz的反射参数得到了改善，天线在该频点的反射波得到了很好的抑制，回波损耗从原来的 -19.1dB降至-28.8dB，改善了9.7dB；另一方面，天线在高频处产生的高次谐波得到了明显的抑制，由此见得光子晶体在抑制天线产生的表面波和高次模方面有很大的作用。
图4为本实施例天线的电压驻波比曲线图，从图中可以看出带宽范围是 2.42-2.52GHz，在频段内天线的电压驻波比均小于2，满足工程要求。
图5和图6分别是本实施例天线引入和未引入光子晶体结构时在电场面和电磁面辐射方向图对比，图中E/H指电场或磁场。可以看出，引入PBG结构后，天线的增益在一定程度上有所改善，由原来的3.2dB提高到3.75dB。
图7是本实施例天线在频率2.45GHz时对应天线的方向图，图中E/H指电场或磁场，从图中可以看出本实施例天线的辐射方向图表明该天线具有良好的辐射特性，同时具有良好的方向性，满足工程要求。
本实用新型天线具有体积小，结构新颖、简单，成本低等优点。通过使用不规则形状的辐射单元，使天线能够正常工作在2.45GHz频段；在接地面上刻出周期性排列的孔结构，提高了微带天线的性能，抑制天线在高频处产生的高次谐波，改善了天线的增益和回波损耗；并且此种光子晶体结构直接被应用于微带天线背部的接地板上，所以不会增加微波电路的尺寸。
上述实例为本实用新型较佳的实施方式，另外在本实施例的基础上，改变切去正方形或矩形的大小及位置、切角结构的形状，改变接地面光子晶体结构方孔的位置都应包含在本申请的保护范围内。
本实用新型未述及之处适用于现有技术。