一种集成太阳能电池片的雷达天线单元

1.本发明属于太阳能电池天线技术领域，具体涉及一种集成太阳能电池片的雷达天线单元。


背景技术：

2.无线通信系统的发展对天线系统的需求大幅度提升，这就造成天线系统对能源的需求也大幅提升。过去的发展均依靠化石能源，造成能源的过度消耗和环境污染问题。认识到这些问题之后，人们开始重视可再生能源如风能、水能、太阳能等资源。
3.在天线领域，人们将太阳能电池片与无线通信系统相结合，提出了太阳能电池天线。然而，目前的太阳能电池天线，由于技术受限，导致太阳能利用率不高，天线输出电压和电流不高，其性能有待进一步的提升。


技术实现要素：

4.本发明为解决现有技术存在的技术问题，提出一种集成太阳能电池片的雷达天线单元。通过将太阳能电池串串联在一起，提高了太阳能电池天线在直流端口的输出电压，满足一些无法提供较大电压的应用要求；实现了太阳能电池天线一体化设计，工作于203.7mhz-364.6mhz频段，结构简单，系统复杂度低，具有实际应用和推广价值。
5.所采用的技术方案如下：
6.一种集成太阳能电池片的雷达天线单元，工作于203.7mhz-364.6mhz频段，且物理尺寸为500毫米，属于半波天线；所述雷达天线单元包括介质板、辐射主体、馈电结构、天线壳体、反射板和支撑件，所述介质板厚度均为3毫米；所述辐射主体由三串太阳能电池串组成；所述馈电结构位于垂直介质板的两侧，包括位于水平介质板下表面的用于优化阻抗匹配的贴片，并对辐射主体采用缝隙激励；所述天线壳体呈长方体的壳体结构，包括两面介质板墙、两面金属墙和金属地板，两面介质板墙相互平行，两面金属墙相互平行，四面墙均垂直于金属地板；所述反射板为两面3毫米厚度的倾斜铝板；所述反射板位于垂直介质板两侧，且与金属地板呈54度夹角，与两面介质板墙呈36度夹角；所述支撑件为4个，是附于金属墙上用于支撑水平介质板的金属结构。
7.优选的，所述介质板为面积和形状不等的fr4介质板，一面用于承载辐射主体结构，一面用于安装馈电结构，两面作为墙体使用。
8.优选的，构成辐射主体的相邻太阳能电池串之间间距为22.5毫米，形成1
×
2缝隙阵列；每串太阳能电池串由十五片太阳能电池片叠瓦构成；太阳能电池串之间通过首位相接的方式串联连接。
9.优选的，多串太阳能电池串通过连接结构串联连接，所述的连接结构上设置有滤波器。
10.优选的，所述馈电结构为γ型耦合馈电，其中γ形馈线的一端与sma接头相连。
11.优选的，所述金属地板中包含一片镶嵌在金属地板中厚度为1毫米的铜片。
12.优选的，所述支撑件通过金属螺栓固定在两面金属墙上。
13.优选的，所述太阳能电池片单个面积为31.5毫米x140毫米，电池串叠瓦面积为1.6毫米x31.5毫米。
14.优选的，所述太阳能电池串每串的尺寸为140毫米
×
450.1毫米。
15.优选的，所述滤波器为滤波电感，每串太阳能电池串的两端有两个滤波电感。
16.为了实现更宽的带宽，本发明摒弃了现有太阳能天线采用的分层结构设计，创造性采用了将馈电结构垂直安装于地板与辐射主体的中间，并通过相邻电池串之间的缝隙进行馈电的策略，实现了56％的相对带宽。
17.此外，为了更加优良的阻抗匹配，本发明在电池片所在介质板的下表面，安装了与电池片相耦合并与馈电结构电连接的贴片，安装了两面3毫米厚度的倾斜金属反射板和两面3毫米厚度的金属垂直墙体。
18.本发明通过将多片太阳能电池片叠瓦，形成较大面积的电池串，提升了电池片的布片率；通过将多串太阳能电池串等间隔排列，形成1
×
2的缝隙阵列，可进行定向辐射。
19.在同样为太阳能电池天线的情况下，本发明的天线通过将多片太阳能电池片叠瓦，形成较大面积的电池串，提升了电池片的布片率和天线的输出电压；得益于金属壳体的应用，使得天线能工作于更加恶劣的环境，增加了天线的稳定性；这种天线利用太阳能电池光电效应产生的直流电能对系统进行供电，提高了太阳能的利用率，使得天线在没有外部供电的条件下也能正常工作，有助于实现低碳经济和建设节能环保型社会；实现了太阳能电池天线一体化设计，覆盖了203.7mhz-364.6mhz的低频频段，结构简单，系统复杂度低，具有实际应用和推广价值。
附图说明
20.图1为本发明提出的集成太阳能电池片的雷达天线单元的整体结构图；
21.图2为本发明提出的集成太阳能电池片的雷达天线单元的俯视结构图；
22.图3为本发明提出的集成太阳能电池片的雷达天线单元的正视结构图；
23.图4为本发明提出的集成太阳能电池片的雷达天线单元的侧视结构图；
24.图5为水平介质板与水平介质板上表面的辐射主体结构图；
25.图6为垂直介质板与垂直介质板表面上的馈电结构示意图；
26.图7为将太阳能电池串串接的连接结构与滤波结构示意图；
27.图8为天线壳体结构中的金属地板与金属地板中镶嵌的铜片结构示意图；
28.图9为采用本发明提出的集成太阳能电池片的雷达天线单元的模拟仿真得到的相对带宽匹配和增益图；
29.图10
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图13为采用本发明提出的集成太阳能电池片的雷达天线单元的模拟仿真得到的辐射方向图(分别为0.22ghz方向图、0.25ghz方向图、0.3ghz方向图以及0.34ghz方向图)；
30.其中：1、水平介质板；2、太阳能电池片单元；3、支撑件；4、金属墙；5、垂直介质板；6、金属地板；7、馈电结构；8、介质板墙；9、sma接头；10、金属反射板；11、玻璃盖板；12、结构胶；13、太阳能电池片；14、连接结构；15、滤波器；16、铜片。
具体实施方式
31.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
32.传统太阳能电池天线大多采用分层结构设计，作为辐射主体的太阳能电池片置于馈电层的上方，馈电层的馈线与地板分别位于下层介质板的两侧。
33.相比于传统的太阳能电池天线，本发明的该天线覆盖203.7mhz-364.6mhz的低频频段，且天线的物理尺寸为500毫米，属于半波天线。
34.与此同时，为了实现更宽的带宽，本发明的该天线摒弃了已有太阳能天线采用的分层结构设计，创造性采用了将馈电结构垂直安装于地板与辐射主体的中间，并通过相邻电池串之间的缝隙进行馈电的策略，实现了56％的相对带宽。
35.此外，为了更加优良的阻抗匹配，在电池片所在介质板的下表面，安装了与电池片相耦合并与馈电结构电连接的贴片，安装了两面3毫米厚度的倾斜金属反射板和两面3毫米厚度的金属垂直墙。采用通过将多片太阳能电池片叠瓦，形成较大面积的电池串，提升了电池片的布片率；通过将多串太阳能电池串等间隔排列，形成1
×
2的缝隙阵列，可进行定向辐射；通过将太阳能电池串串联在一起，提高了太阳能电池天线在直流端口的输出电压，满足一些无法提供较大电压的应用要求。
36.本发明实现了太阳能电池天线一体化设计，工作于203.7mhz-364.6mhz频段，结构简单，系统复杂度低，具有实际应用和推广价值。
37.参见图1所示，本发明的一种集成太阳能电池片的雷达天线单元，包括介质板、辐射主体、馈电结构7、天线壳体、金属反射板和支撑件3；所述辐射主体位于所述水平介质板的上表面，包括将三串太阳能电池片单元2串联起来的连接结构14和滤波器15；所述馈电结构7位于垂直介质板的两个表面，包括位于水平介质板1下表面的贴片；所述天线壳体包括两面介质板墙、两面金属墙和一面金属地板，其中两面介质板墙相互平行，两面金属墙相互平行，四面墙均垂直于金属地板；金属反射板位于垂直介质板两侧与地板呈54度夹角，与两面介质板墙呈36度夹角；所述支撑件为3个附于金属墙上用于支撑水平介质板的金属结构。
38.其中，所述馈电结构7包括位于垂直介质板5右侧的γ形馈线和位于垂直介质板5左侧自身呈轴对称的异形结构且垂直布置并与垂直介质板平行，位于水平介质板1下表面的两个水平布置的贴片，且异形结构左右两部分互不相连，均呈匚形，两个贴片位于异形结构顶端并与异形结构垂直布置，异型结构可以是看作是由一个l形部与u形部连接形成；左侧异形结构的底部与位于金属地板6上的铜片16电连接，作用在于传输垂直介质板5右侧γ形馈线电磁耦合过来的射频能量，并将能量用于激励电池片间的缝隙。
39.其中，所述连接结构14为金属导电条，将相邻太阳能电池片单元串联起来，形成串联的电池结构，如图7所示，滤波器15安装于连接结构的金属导电箱，如图7所示。
40.上述的太阳能电池片单元2构包括太阳能电池片13的外表面通过结构胶12胶结覆盖有玻璃盖板11，如图5所示。
41.此外，所述金属地板6中包含一片镶嵌在金属地板中厚度为1毫米的铜片19，如图8所示，铜片上有三个长方体空气槽和一个圆柱形孔，其中，长方体空气槽用于安装垂直介质
板5，圆柱形孔用于安装sma接头9。
42.本发明提出的集成太阳能电池片的雷达天线单元采用缝隙耦合馈电形式实现阻抗匹配设计，三串太阳能电池串相互平行，相邻两串太阳能电池串之间间隔22.5毫米，形成1
×
2缝隙阵列；多串太阳能电池串把光能转化成电能；太阳能电池串两端与连接结构和滤波器相连，位于连接结构上的滤波器将电池串输出的射频信号滤除，最后输出直流电压和电流；得益于电池串的串接，可有更高输出电压，满足了对电压有更高要求的环境。
43.在本技术一个实施例中，四片介质板厚度均为3毫米。
44.在本技术一个实施例中，太阳能电池串尺寸为140毫米
×
450.1毫米。
45.在本技术一个实施例中，每串太阳能电池串由15片太阳能电池片叠瓦构成。
46.在本技术一个实施例中，太阳能电池片单个面积为31.5毫米x140毫米，电池串叠瓦面积为1.6毫米x31.5毫米。
47.在本技术一个实施例中，太阳能电池串之间的距离为22.5毫米。
48.在本技术一个实施例中，垂直介质板的尺寸为450毫米x255毫米x3毫米。
49.在本技术一个实施例中，垂直介质板上的用于优化阻抗匹配的缝隙尺寸为2毫米x50毫米x3毫米。
50.在本技术一个实施例中，介质墙的尺寸为497毫米x3毫米x263毫米。
51.在本技术一个实施例中，金属墙的尺寸为3毫米x506毫米x256.5毫米。
52.在本技术一个实施例中，金属地板的尺寸为500毫米x506毫米x3毫米。
53.在本技术一个实施例中，镶嵌在金属地板中的铜片尺寸为430毫米x20毫米x1毫米。
54.在本技术一个实施例中，金属反射板尺寸为272毫米x497毫米x3毫米。
55.在本技术一个实施例中，金属反射板、金属地板、金属墙、支撑件的材质均为铝。
56.图9和图10展示了采用本发明所述设计方法与尺寸的太阳能电池天线的各项辐射性能。采用本发明设计方法的太阳能电池天线的阻抗匹配带宽在203.7mhz-364.6mhz的超低频段，相对带宽为56％，并且在该频段内维持了一个较稳定的增益，测试增益峰值为4.9dbi，平均增益为4.7dbi，增益波动不超过0.7dbi，辐射方向图符合定向天线的特征，能够实现良好的定向辐射。且交叉极化水平在-20db以下，天线的e面和h面辐射能量主要集中于法向方向，辐射方向图保持了良好的方向性，能达到较好的辐射性能。
57.本发明提供的集成太阳能电池片的雷达天线单元，首次通过将馈电结构垂直于辐射结构安装对辐射结构缝隙激励，并引入反射板、金属墙和耦合贴片优化天线的阻抗匹配，实现了56％的相对带宽；覆盖203.7mhz-364.6mhz的低频频段，且天线的物理尺寸为500毫米，属于半波天线；通过将多片太阳能电池片叠瓦，形成较大面积电池串，且将电池串串接，提升了电池片的布片率和天线的输出电压；通过将多串太阳能电池串等间隔排列，形成1
×
2的缝隙阵列，可进行定向辐射。
58.与现有技术相比，本发明的集成太阳能电池片的雷达天线单元具有如下有益效果：
59.(1)本发明摒弃了已有太阳能天线采用的分层结构设计，创造性采用了将馈电结构垂直安装于地板与辐射主体的中间，并通过相邻电池串之间的1x2缝隙阵列进行馈电，实现了稳定的定向辐射；
60.(2)本发明提供的集成太阳能电池片的雷达天线单元，覆盖203.7mhz-364.6mhz的低频频段，且天线的物理尺寸为500毫米，属于半波天线；
61.(3)本发明通过引入倾斜反射板、金属墙、金属反射板和耦合片优化天线的阻抗匹配，实现了56％的相对带宽；
62.(4)本发明通过将多片太阳能电池片叠瓦，形成较大面积的电池串，提升了电池片的布片率和天线的输出电压，满足了一些对更高电压有需求的应用环境；
63.(5)本发明得益于金属壳体的应用，使得天线能工作于更加恶劣的环境，增加了天线的稳定性，一定程度上优化了天线的匹配性能；
64.(6)本发明实现了太阳能电池天线一体化设计，覆盖了203.7mhz-364.6mhz的低频频段，结构简单，系统复杂度低，具有实际应用和推广价值。
65.(7)本发明的天线利用光电效应产生的直流电能，对系统进行供电，提高了太阳能的利用率，有助于实现低碳经济和建设节能环保型社会。
66.本发明摒弃了已有太阳能天线采用的分层结构设计，创造性采用了将馈电结构垂直安装于地板与辐射主体的中间，并通过相邻电池串之间的缝隙进行馈电的策略；覆盖203.7mhz-364.6mhz的低频频段，且天线的物理尺寸为500毫米，属于半波天线；引入倾斜反射板、金属墙、金属反射板和耦合贴片优化天线的阻抗匹配，实现了56％的相对带宽，具有专利法要求的新颖性以及创造性。
67.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
68.此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。