高增益定向性天线的制作方法

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增益定向性天线。

背景技术：

无线能量传输技术早在年前就已经为人所知，早在以前，在进行的无线能量传输实验就已经实现在没有导线的情况下点亮英里以外的氖气照明灯。无线能量传输的构想在地球表面与电离层之间建立起低频共振的电磁场，内导体是整个地球，外导体是地球上空的电离层，电磁波依靠特殊的放大发射机来进行发射，能量在整个低频电磁场中传递。美国匹兹堡大学教授所领导的课题组对体内植入式电子设备的无线供能进行了深入研究，实验中在传输距离时传输效率可达19.5％。

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增益定向性天线，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，高增益定向性天线，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，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和四个圆柱形孔洞，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0.10623λ，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120°得到线段二，将线段二以直线为对称轴作镜面对称得到线段三，线段二和线段三的交点为此点在直线上，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、线段二和线段三合并得到旋转图形一，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转60°并整体缩小为原来的0.8倍得到旋转图形二，将旋转图形二以点为旋转点，顺时针旋转120°，得到旋转图形三，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转180°并整体缩小为原来的0.8倍得到旋转图形四，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转240°，得到旋转图形五，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转300°并整体缩小为原来的0.8倍得到旋转图形六，旋转图形一、旋转图形二、旋转图形三、旋转图形四、旋转图形五和旋转图形六合并得到封闭图形，将封闭图形的圆形覆盖面的半径缩小到原来的0.4157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；所述介质基板上四个圆柱形孔洞的半径均为0.5mm，四个圆柱形孔洞的圆心连线构成边长为22mm的正方形，该正方形上下边与介质基板上下侧边的垂直距离分别为2.9mm和5.1mm，正方形左右侧边与介质基板左右两侧的垂直距离分别为2mm和6mm；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16.6mm、16.6mm、13.4mm和13.4mm，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：高增益定向性天线具有更低的回波损耗、良好的阻抗匹配和驻波比以及较高的增益，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是高增益定向性天线结构示意图；

图3是利用HFSS天线模拟仿真软件模拟的高增益定向性天线的回波损耗图；

图4是利用HFSS天线模拟仿真软件模拟的高增益定向性天线的输入阻抗图。

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、圆柱形金属导体，6、圆柱形孔洞，7、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增益定向性天线设计，在微带天线设计时需要对高增益定向性天线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增益定向性天线。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，高增益定向性天线，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，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5和四个圆柱形孔洞6，接地板3上设有与圆柱形金属导体5底面同心的圆孔7；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0.10623λ，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120°得到线段二，将线段二以直线为对称轴作镜面对称得到线段三，线段二和线段三的交点为此点在直线上，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、线段二和线段三合并得到旋转图形一，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转60°并整体缩小为原来的0.8倍得到旋转图形二，将旋转图形二以点为旋转点，顺时针旋转120°，得到旋转图形三，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转180°并整体缩小为原来的0.8倍得到旋转图形四，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转240°，得到旋转图形五，将旋转图形一以点为旋转点，顺时针旋转300°并整体缩小为原来的0.8倍得到旋转图形六，旋转图形一、旋转图形二、旋转图形三、旋转图形四、旋转图形五和旋转图形六合并得到封闭图形，将封闭图形的圆形覆盖面的半径缩小到原来的0.4157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；所述介质基板2上四个圆柱形孔洞6的半径均为0.5mm，四个圆柱形孔洞6的圆心连线构成边长为22mm的正方形，该正方形上下边与介质基板2上下侧边的垂直距离分别为2.9mm和5.1mm，正方形左右侧边与介质基板2左右两侧的垂直距离分别为2mm和6mm；所述圆柱形金属导体5的一端与金属天线贴片4连接，圆柱形金属导体5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5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16.6mm、16.6mm、13.4mm和13.4mm，与圆柱形金属导体5相对的接地板3上圆孔7的孔径R＝1.9mm，所述圆柱形金属导体5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增益定向性天线的回波损耗图，由图可知，该高增益定向性天线的回波损耗为-31.62dB，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增益定向性天线的输入阻抗图，由图可知，该高增益定向性天线在2.45GHz的输入阻抗为50.2781Ω，非常接近标准50Ω的输入阻抗。

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。