一种高增益圆极化谐波抑制微带天线

1.本发明涉及微波天线领域，具体涉及一种高增益圆极化谐波抑制微带天线。


背景技术：

2.微波无线输能是研究的较为频繁的一种无线输能的方式，由于它是利用收发天线的定向传输，所以能够传输很远的距离。国外对于微波无线输能的研究起步较早，上个世纪70-90年代就已经开展一些基础性的研究，其中日本在这方面的研究较为先进。21世纪国外对于微波无线输能的研究更加趋向于实用化，虽然现在还没有商用的无线输能系统，但是现在国内外的研究慢慢考虑如何突破实际使用时的一些阻碍，利用无线输能的方式来给临近飞行器、无人机提供能量以及远距离供电的实验系统的实用性逐渐得到了验证。
3.微波无线输能要求发射天线、接收天线具有高增益、低成本、体积小的特点。为了满足发射天线到接收天线的dc-dc转换效率的提高，目前大多采用具有强聚焦高增益的口径天线或天线阵列形式加以实现，但是输能系统整体的系统效率依旧很低，不超过50％，当然远距离的传输时整个输能系统的效率会更加的低，并且加大了整个输能系统的体积。此外，为了向无人机等移动目标传输能量，传统的线极化整流天线难以满足需求，且空间电磁波传输中会出现极化旋转和变化的现象使接收性能恶化。微带天线天然具有低剖面、低成本、易集成、易获得圆极化的特性，已广泛运用到微波无线能量传输中，然而传统的微带天线通常仅具有5-8dbi的增益，相比喇叭天线、透镜天线等天线的增益较低。
4.现有技术中，已经有一些研究团队提出了不同结构的高增益微带天线，如美国圣地亚哥州立大学公开的论文(f.meng and s.k.sharma,“a dual-band high-gain resonant cavity antenna with a single layer superstrate,”ieee trans.antennas propag.,vol.63,no.5,pp.2320
–
2325,may 2015)和英国伦敦玛丽女王大学公开的论文(y.gao,r.ma,y.wang,q.zhang and c.parini,"stacked patch antenna with dual-polarization and low mutual coupling for massive mimo,"in ieee transactions on antennas and propagation,vol.64,no.10,pp.4544-4549,oct.2016)，前者在微带天线上方引入了一种由周期性贴片组成的高反射率的频率选择表面来提高增益，但其中一个反射面产生了一定的漏波，后者引入了堆叠贴片天线的概念，通过多层贴片激励，在主方向上实现更高的增益，两者均增大了剖面高度，结构和制作具有更高的复杂度。中山大学申请的专利(谭洪舟、黄静文、区俊辉、张全琪、路崇，一种带有短路针的高增益微带天线，中国发明专利，申请号：201810412431.7，申请日：2018.05.03)，使用的圆形贴片波瓣较窄，仅有37
°
，虽然增益和带宽都比较高，但是其面积太大，单位面积的增益带宽比不高，使用了多达14个短路探针，制作、焊接复杂，具有更大的制造误差，且不具有圆极化的特性，只能接收固定的线极化波。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供高增益圆极化谐波抑制微带天线，在保
持低剖面和低成本的前提下，同时实现了高增益、圆极化与谐波抑制功能，从而用于微波无线能量传输系统中，有效地提高输能系统整体效率。
6.本发明的第一方面提供了一种高增益圆极化谐波抑制微带天线，包括顶层金属层、中间介质基板、金属短路柱和底层开槽金属地层；其中：
7.所述顶层金属层设置于中间介质基板的上表面，所述底层开槽金属地层设置于中间介质基板的下表面；
8.所述顶层金属层与底层开槽金属地层之间通过金属短路柱连接。
9.进一步，所述顶层金属层包括矩形切角贴片和阶梯阻抗变换器；
10.所述矩形切角贴片通过阶梯阻抗变换器进行馈电，通过改变切角大小优化圆极化性能。
11.进一步，所述金属短路柱对称分布在矩形切角贴片的对角线或轴对称线上。
12.进一步，所述金属短路柱数量为8个；
13.其中，分布在矩形贴片对角线上的第一金属短路柱、第二金属短路柱、第三金属短路柱、第四金属短路柱到辐射贴片中心的距离均为辐射贴片长度的第一倍数；
14.分布在矩形贴片轴对称线上的第五金属短路柱、第六金属短路柱、第七金属短路柱、第八金属短路柱到辐射贴片中心的距离均为辐射贴片长度的第二倍数。
15.进一步，所述第一倍数为0.7倍；所述第二倍数为0.6125倍。
16.进一步，所述底层开槽金属地层包括一“＝”型缺陷地结构；
17.所述“＝”型缺陷地结构位于顶层金属层中用于侧馈的阶梯阻抗变换器的正下方；
18.所述“＝”型缺陷地结构与顶层金属层中用于侧馈的阶梯阻抗变换器共同实现谐波抑制。
19.本发明的方案中，通过设置高增益圆极化谐波抑制微带天线包括顶层金属层、中间介质基板、金属短路柱和底层开槽金属地层；其中顶层金属层设置于中间介质基板的上表面，底层开槽金属地层设置于中间介质基板的下表面；顶层金属层与底层开槽金属地层之间通过金属短路柱连接。相比于现有技术，通过对天线尺寸的调整获得较好的增益和带宽等性能，通过对矩形微带贴片切对角的方式实现天线的圆极化；且具备谐波抑制功能，阻止了由整流电路产生的二次以及高次谐波通过天线又辐射到自由空间去，高次谐波就在谐波抑制天线与整流电路间来回反射、转换，省去了天线与整流电路之间体积庞大且有插入损耗的低通滤波器,可使电路的结构大大简化，同时提高了微波无线输能系统的整体效率。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
21.图1为本发明实施例高增益圆极化谐波抑制微带天线的结构示意图；
22.图2为本发明实施例中天线标注尺寸的俯视图；
23.图3为本发明实施例中天线标注尺寸的仰视图；
24.图4为本发明实施例的矩形切角贴片对角线上金属短路柱位置与天线最大增益和
谐振频率的关系曲线图；
25.图5为本发明实施例矩形切角贴片轴对称线上金属短路柱位置与天线最大增益和谐振频率的关系曲线图；
26.图6为本发明实施例的图3结构执行回波损耗和传输系数仿真的示意图；
27.图7为本发明实施例中仿真的回波损耗和整流效率示意图；
28.图8为本发明实施例中仿真的不同频率下整流效率随输入功率的变化曲线。
具体实施方式
29.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本技术将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
30.此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本技术的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本技术的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本技术的各方面。
31.附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
32.附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
33.需要说明的是：在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。
34.以下对本技术实施例的技术方案的实现细节进行详细阐述：
35.本实施例中，设计的高增益圆极化谐波抑制微带天线包括三层结构，由上至下依次为顶层微带结构(即顶层金属层)、中间层介质基板和底层开槽金属地层。顶层金属层设置于中间介质基板的上表面，底层开槽金属地层设置于中间介质基板的下表面；顶层金属层与底层开槽金属地层之间通过金属短路柱连接。其中，通过8个金属短路柱穿过介质基板将顶层微带结构和底层开槽金属地层连接，相当于将顶层微带结构短接至底层开槽金属地层。本实施例中，介质基板使用的是rogers 4350b材料，介质基板的厚度为1mm，介质基板的介电常数为3.66，损耗角正切0.004，顶层微带结构和底层金属地层的厚度均为0.035mm。
36.进一步地，如图1所示的本实施例关于高增益圆极化谐波抑制微带天线的结构示意图。其中，顶层金属层包括矩形切角贴片1和阶梯阻抗变换器2；底层开槽金属地层包括一“＝”型缺陷地结构11，因此，详细地，天线具体可包括矩形切角贴片1，阶梯阻抗变换器2，金属短路柱3-10，“＝”型缺陷地11。
37.矩形切角贴片通过阶梯阻抗变换器进行馈电，通过改变切角大小优化圆极化性能。
38.具体地，本实施例，通过切角微扰法，原本的主模式分离成两个沿着对角线的两个模式，再通过调整微扰段尺寸，使两个模式在中心谐振频点处幅度相等、相位相差90
°
，最终
形成圆极化辐射。
39.进一步，金属短路柱对称分布在矩形切角贴片的对角线或轴对称线上。
40.进一步，本实施例具体设置金属短路柱数量为8个；其中，分布在矩形贴片对角线上的第一金属短路柱、第二金属短路柱、第三金属短路柱、第四金属短路柱到辐射贴片中心的距离均为辐射贴片长度的第一倍数。
41.分布在矩形贴片轴对称线上的第五金属短路柱、第六金属短路柱、第七金属短路柱、第八金属短路柱到辐射贴片中心的距离均为辐射贴片长度的第二倍数。
42.进一步，第一倍数为0.7倍；第二倍数为0.6125倍。
43.具体地，本实施例，如图2、3所示，分别为实施例中天线标注尺寸的俯视图、仰视图。其中，在整流电路的版图上标注各部分的尺寸，其中2r对应金属短路柱的直径，图2中具体尺寸设置如下：w＝16mm，l＝16mm，ww＝32mm，ll＝32mm，w1＝11.2mm，l1＝0.4mm，w2＝9.8mm，l2＝2.1mm，w3＝6mm，l3＝2.2mm，w4＝4.5mm，w5＝5.5mm，w6＝2.2mm，w7＝0.3mm，l7＝5mm，2r＝1mm。
44.使用电磁场仿真软件对本实施例仿真，仿真得到金属短路柱3-10位置w1、w2与天线最大增益和谐振频率的关系如图4、5所示。
45.如图4所示为本实施例矩形切角贴片对角线上金属短路柱位置与天线最大增益和谐振频率的关系曲线图。其中，为得到矩形切角贴片1对角线上金属短路柱位置对天线性能的影响，图4中只包含金属短路柱3、金属短路柱5、金属短路柱6、金属短路柱10，当w1/w为0.6-0.7时，可以得到较大的增益和谐振频率。
46.如图5所示，为本实施例矩形切角贴片轴对称线上金属短路柱位置与天线最大增益和谐振频率的关系曲线图。其中，图5中包含金属短路柱3-10以得到矩形切角贴片1轴对称线上金属短路柱位置的影响，固定w1/w为0.7，当w2/w为0.6时左右增益较大，当w2/w为0.8时左右时谐振频率较大。
47.为满足目标工作频率10ghz、实现最大增益以及拥有良好的圆极化特性，经过微调，本具体实施例中选择w1/w＝0.7，w2/w＝0.6125。
48.进一步，“＝”型缺陷地结构位于顶层金属层中用于侧馈的阶梯阻抗变换器的正下方；“＝”型缺陷地结构与顶层金属层中用于侧馈的阶梯阻抗变换器共同实现谐波抑制。
49.具体地，本实施例，如图6所示，给出了其不同馈电方式以及是否包含“＝”型缺陷地结构11下的回波损耗的仿真结果。由图6可知，本实施例的天线结构在10ghz的工作频率处|s11|为-29.3db，匹配良好，同时也可以看出底馈的谐波抑制效果最差，本实施例侧馈使用的阶梯阻抗变换器2具有一定的谐波抑制效果，但不够良好。
50.为优化谐波抑制效果，加入了“＝”型缺陷地结构11，在20ghz的二次谐波处的|s11|仅为-1.25db，20ghz二次谐波处的|s11|仅为-1.25db，30ghz三次谐波处的|s11|仅为-2.28db，实现了良好的谐波抑制效果。
51.进一步地，如图7所示为本实施例仿真的回波损耗和整流效率示意图。参照图7的phi＝0
°
和phi＝90
°
两个主要平面方向图，最大增益为9.99dbi和10.01dbi，半功率波束宽度为52
°
和50
°
。根据本实施例的仿真，同样使用1mm厚的rogers 4350b介质基板的10ghz普通矩形贴片微带天线最大增益为5.7dbi，相比之下本实施例的最大增益增大了约4.3dbi。
52.进一步地，图8为本实施例提供的轴比随频率的变化曲线，9.96ghz时有最小轴比
1.51，10ghz时轴比为2.4，9.9-10.02ghz之间轴比小于3，表明本实施例有良好的圆极化性能。通过调整矩形切角贴片1的切角尺寸l2，金属柱3-10位置w1、w2，以及阶梯阻抗变换器2进行轴比的优化。
53.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
54.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
55.另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
56.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。