一种用于射频能量收集的电磁超材料贴片天线的制作方法

1.本发明涉及射频能量收集技术领域，特别是涉及一种用于射频能量收集的电磁超材料贴片天线。


背景技术：

2.在医疗保健、环境监测、工业自动化、无线传感器网络、智能运输系统等领域中，低功耗设备与装置的应用越来越普及。但许多设备受安装条件影响，其供电电源很难更换，这直接影响了设备使用范围和使用寿命。随着无线通信和广播设施的逐渐增加，环境中可收集射频信号的功率逐渐提高；同时，低功耗设备迅速发展，低功耗设备对驱动能量的需求逐渐降低。利用收集到的射频能量为设备供电，其能够降低设备对电池的需求，可以作为辅助电源为设备电池进行充电，也可以作为设备的备用电源，延长设备工作时间。接收天线是射频能量收集系统的核心部分之一，其可从周围环境中接收射频信号，射频信号经整流电路转换成直流、升压，并存储能量，为负载供电。
3.现有射频能量收集系统接收天线存在以下技术问题：
4.微带贴片天线需向着宽频带、高增益、小型化、多频段等高性能方向发展，但微带贴片天线的各指标互相制约、想要减小天线尺寸就需要牺牲带宽或辐射效率等，因此，如何提高微带贴片天线性能，在减小体积的同时提升微带贴片天线各项性能是其主要问题。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术中存在的问题，设计了一种用于射频能量收集的电磁超材料贴片天线，微带线电磁超材料单元等效为lc谐振回路，更窄的线宽以及更长的线长提供更大的电感，更窄的缝隙提供更大的电容，使电感与电容谐振在同一频率，改变了辐射贴片上的电流分布，导致辐射贴片的自然模的场分布改变，干扰天线谐振从而实现双频或多频工作，用以实现多频段射频信号接收。
6.实现本发明的技术方案是一种用于射频能量收集的电磁超材料贴片天线，其特征是，它包括：介质基片1、辐射贴片4、同轴线5、接地板10、微带线电磁超材料单元、集总端口16，所述的介质基片1与接地板10形状相同、尺寸相等，在所述的接地板10中心设置正方形开槽，所述正方形开槽中心与接地板10中心重合，所述的介质基片1与接地板10固连，所述的辐射贴片4尺寸小于介质基片1尺寸，在所述的辐射贴片4上设置开槽，所述的辐射贴片4与介质基片1的另一面固连，所述辐射贴片4中心与介质基片1中心重合，在所述的辐射贴片4中心与介质基片1中心设置通孔，在所述的通孔内设置同轴线5，所述同轴线5贯穿辐射贴片以及介质基片，所述的辐射贴片4与同轴线5电连接，在所述接地板10端同轴线5与集总端口16电连接，在所述接地板10的正方形开槽内设置微带线电磁超材料单元，所述的微带线电磁超材料单元构成封闭环，所述的微带线电磁超材料单元与介质基片1固连。
7.进一步，它还包括：阻抗匹配调节段，所述的阻抗匹配调节段与介质基片1固连，且阻抗匹配调节段与辐射贴片4电连接。
8.进一步，所述的接地板10材料为金属材料。
9.进一步，所述的辐射贴片4上设置开槽是矩形开槽。
10.进一步，所述的阻抗匹配调节段为长方形，在所述的辐射贴片4两侧对称分布。
11.进一步，所述的辐射贴片4、阻抗匹配调节段和微带线电磁超材料单元的贴片覆铜厚度均为0.035mm。
12.本发明一种用于射频能量收集的电磁超材料贴片天线的有益效果体现在：
13.1、一种用于射频能量收集的电磁超材料贴片天线，介质基片正面是矩形辐射贴片和阻抗匹配调节段，介质基片背面是微带线电磁超材料，使得上下两面具有良好馈电，且有利于实现宽带特性的电磁弱耦合，阻抗匹配调节段增加天线工作的频段，当天线设计过程中以及加工后，因加工误差等因素导致阻抗特性变化时，可以进行适当的调节，辐射效率高；
14.2、一种用于射频能量收集的电磁超材料贴片天线，在特定频率下，微带线电磁超材料单元具有接近零的折射率参数，超材料结构可以等效为lc谐振回路，微带线更窄的线宽以及更长的线长都能提供更大的电感，更窄的缝隙提供更大的电容，使电感与电容谐振在同一频率，改变了辐射贴片上的电流分布，导致辐射贴片的自然模的场分布改变，干扰天线的谐振从而实现双频或多频工作，天线各项性能优；
15.3、一种用于射频能量收集的电磁超材料贴片天线，以微带线电磁超材料单元及开槽辐射贴片为基础进行设计，结构较为简单，且体积较小，在wifi的5ghz频段下和wimax的3ghz频段下工作，能够有效对射频能量进行收集，具有良好的频率特性，使用方便且成本低，具有很高的实用价值。
附图说明
16.图1是一种用于射频能量收集的电磁超材料贴片天线的主视图；
17.图2是一种用于射频能量收集的电磁超材料贴片天线的俯视图；
18.图3是一种用于射频能量收集的电磁超材料贴片天线的后视图；
19.图4是一种用于射频能量收集的电磁超材料贴片天线的s11回波损耗与频率的关系图；
20.图中：1.介质基片，2.第一开槽，3.第二开槽，4.辐射贴片，5.同轴线，6.第一阻抗匹配调节段，7.第三开槽，8.第四开槽，9.第二阻抗匹配调节段，10.接地板，11.正方形开槽，12.第一微带线电磁超材料单元，13.第二微带线电磁超材料单元，14.第三微带线电磁超材料单元，15.第四微带线电磁超材料单元，16.集总端口。
具体实施方式
21.以下结合附图1-4和具体实施例对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
22.参照附图1至附图3，一种用于射频能量收集的电磁超材料贴片天线，其包括：介质基片1、辐射贴片4、同轴线5、接地板10、微带线电磁超材料单元、阻抗匹配调节段、集总端口16，所述的介质基片1与接地板10形状相同、尺寸相等，在所述的接地板10中心设置正方形开槽，所述正方形开槽中心与接地板10中心重合，所述的介质基片1与接地板10固连，所述
的辐射贴片4尺寸小于介质基片1尺寸，在所述的辐射贴片4上设置开槽，所述的辐射贴片4与介质基片1的另一面固连，所述辐射贴片4中心与介质基片1中心重合，在所述的辐射贴片4中心与介质基片1中心设置通孔，在所述的通孔内设置同轴线5，所述同轴线5贯穿辐射贴片以及介质基片，所述的辐射贴片4与同轴线5电连接，在所述接地板10端同轴线5与集总端口16电连接，在所述接地板10的正方形开槽内设置微带线电磁超材料单元，所述的微带线电磁超材料单元构成封闭环，所述的微带线电磁超材料单元与介质基片1固连，所述的阻抗匹配调节段与介质基片1固连，且阻抗匹配调节段与辐射贴片4电连接，所述的接地板10材料为金属材料，所述的辐射贴片4上设置开槽是矩形开槽，所述的阻抗匹配调节段为长方形，在所述的辐射贴片4两侧对称分布，所述的辐射贴片4、阻抗匹配调节段和微带线电磁超材料单元的贴片覆铜厚度均为0.035mm。
23.实施例：
24.介质基片1为厚度1.6mm、长35mm、宽35mm的fr4；在辐射贴片4上开设矩形开槽，矩形开槽辐射贴片长29mm，宽14mm，辐射贴片4上有环状开口开槽2、3、7、8，其中开槽2和8上下对称，开槽长11.5mm，宽1.6mm，开口处宽1.6mm，开槽3和7上下对称，其开槽长5.9mm，宽0.6mm，开口处宽1.6mm；通过在辐射贴片开槽能够增加微带天线的带宽，改变了辐射贴片上的电流分布，导致辐射贴片的自然模的场分布改变，干扰天线的谐振从而实现双频或多频工作；同轴线5位于贴片天线的中心位置，同时也是介质基板、辐射贴片以及背部电磁超材料单元的中心位置，馈电方式采用同轴线馈电，同轴线5是贯穿辐射贴片以及介质基片到达天线背部的金属圆柱体，其半径为0.5mm，高1.635mm；第一阻抗匹配调节段6、第二阻抗匹配调节段9长10.5mm，宽3mm，在介质基板正面中间位置左右对称。天线背面接地板10的长宽与介质基片1同样大小，长35mm，宽35mm，其中间为一个边长为20mm的正方形开槽11；微带线电磁超材料单元设置在正方形开槽11中，其结构以中心点相互对称，在特定频率具有接近零的折射率参数，超材料结构可以等效为lc谐振回路，微带线更窄的线宽以及更长的线长都能提供更大的电感，更窄的缝隙提供更大的电容，使电感与电容谐振在同一频率，改变了辐射贴片上的电流分布，导致辐射贴片的自然模的场分布改变，干扰天线的谐振从而实现双频或多频工作。其中，第一微带线电磁超材料单元12，长8.5mm，宽1mm；第二微带线电磁超材料单元13长8.5mm，宽1mm；第三微带线电磁超材料单元14长7mm，宽1mm；第四微带线电磁超材料单元15长4mm，宽1mm；集总端口16在中心位置与贯穿介质基板的同轴线5相连；所有贴片覆铜厚度均为0.035mm。
25.采用ansoft hfss仿真软件对本实施例中的天线进行仿真，仿真结果参照附图4所示，仿真结果表明该贴片天线可以实现多频段的性能特点，可以工作在wifi的5ghz频段下和wimax的3ghz频段下，能够有效对射频能量进行收集，且本实施例中的天线具有多频段、结构简单体、积较小、可操作性强、和制作成本低的优点，具有很高的实用价值。
26.以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。