一种基于多天线的能量采集装置及方法与流程

一种基于多天线的能量采集装置及方法
1.本技术是名为《一种基于多天线的能量采集装置》的专利申请的分案申请，原申请的申请日为2021年03月05日，申请号为202110246495.6。
技术领域
2.本发明涉及电子设备技术领域，特别是涉及一种基于多天线的能量采集装置及方法。


背景技术：

3.钢筋混凝土广泛应用于隧道、楼宇、桥梁等各种结构中，通常需要将带有供电电源的传感器填埋入混凝土，利用传感器来定期监测混凝土的温度、湿度、受力变化、钢筋的移位和腐蚀等情况。
4.然而带有供电电源的传感器在工作一段时间后容易出现电源电量耗尽的情况，由于是被填埋在混凝土中，因此无法更换电源。由此需要采用带能量采集装置的传感器，即将能量采集装置和传感器填埋至混凝土中，在传感器需要工作的时候，利用能量采集装置来采集能量、为传感器供电。但是现有的能量采集装置由于是被填埋至混凝土中，因此在进行能量采集时，效率较低。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于多天线的能量采集装置及方法。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种基于多天线的能量采集装置，包括：6组能量采集单元，各所述能量采集单元包括：
8.天线单元，包括依次设置的第一辐射体、第二辐射体以及第三辐射体；第一辐射体和第二辐射体之间夹设有第一介质基板；第二辐射体与所述第三辐射体之间夹设有第二介质基板；所述第一辐射体设置有用于将所述天线单元与能量采集芯片电气连接的馈电点；
9.能量采集芯片，其输入端与第一辐射体的所述馈电点耦合，用于接收所述天线单元收集到的交流电能，以转换成待用电能；
10.各所述能量采集单元还包括阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络的输入端与所述第一辐射体的馈电点通过金属馈电片电气连接；所述阻抗匹配网络的输出端与所述能量采集芯片的输入端电气连接；所述阻抗匹配网络用于将所述天线单元输出的交流电信号传输给所述能量采集芯片；
11.能量采集装置还包括带有容纳腔的外壳，外壳由壳顶壳底、4个侧壁组成；外壳材料为高分子材料；6个所述能量采集单元设置于外壳的容纳腔内；外壳与各第一辐射体对应的位置的厚度大于5mm，即壳顶的厚度大于5mm；
12.6个第一介质基板为一体设置，6个天线单元的第一介质基板为一体设置，6个第一
介质基板为一体设置，6个第三辐射体为一体设置；每个能量采集单元中的阻抗匹配网络以及每个所述能量采集单元中的能量采集芯片设置在同一块印刷电路板上，印制电路板至少为双层板；所述印制电路板的边缘嵌入所述一体设置的第一介质基板。
13.优选地，所述第一辐射体上设置有用于改变第一辐射体电流路径的凹槽。
14.优选地，在所述第一辐射体与第二辐射体之间还设置有短路装置，所述短路装置用于调节所述天线单元的天线阻抗。
15.优选地，各所述能量采集单元以串联的方式电气连接；
16.或者，各所述能量采集单元以并联的方式电气连接；
17.或者，各所述能量采集单元以串联和并联结合的方式电气连接。
18.优选地，各所述天线单元以队列的排列方式设置；或者，各所述天线单元以环形的排列方式设置。
19.优选地，所述阻抗匹配网络包括若干阻抗协调单元；各所述阻抗协调单元以串联方式、并联方式或者串联和并联结合的方式电气连接。
20.优选地，还包括通信单元；
21.通信单元的器件布局在印制电路板上，所述通信单元用于将传感器监测到的数据远程发送给用户终端或服务器。
22.优选地，印刷电路板贴近第二辐射体的下表面露铜并与第二辐射体充分接触，以加强天线的可靠性，第二辐射体设置有接地端，并通过所述接地端与地连接。
23.一种基于多天线的能量采集方法，应用于上述一种基于多天线的能量采集装置，所述方法包括：
24.通过调整天线单元中第一辐射体上的馈电点的位置和匹配网络的器件参数，以使天线的辐射性能达到最优；
25.通过增加第三辐射体作为反射板调整天线的方向性，以使天线在可利用方向上增益达到优秀的水平；
26.通过增加壳顶厚度，以降低天线在填埋在钢筋混凝土恶劣电磁辐射环境中时辐射能量的损耗。
27.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
28.本发明中，通过设置若干能量采集单元，每个能量采集单元包括三个辐射体，通过这样的设计能够实现在同样电长度的条件下，降低混凝土的对天线的影响，能够及时、快速的接收到电磁波，从而能够获得足够的电量，进而提高能量采集装置的能量采集效率。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明实施例一种基于多天线的能量采集装置的整体结构示意图；
31.图2为本发明又一实施例一种基于多天线的能量采集装置原理架构图；
32.图3为本发明一实施例中阻抗匹配网络的电路结构示意图；
33.图4为本发明另一实施例基于多天线的能量采集装置的整体结构示意图；
34.图5为本发明另一实施例基于多天线的能量采集装置壳体结构示意图；
35.图6为本发明又一实施例基于多天线的能量采集装置的整体结构示意图；
36.图7为本发明又一实施例基于多天线的能量采集装置的处于拆分状态下的结构示意图。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
39.本技术的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤、过程、方法等没有限定于已列出的步骤，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤元。
40.本发明的目的是提供一种基于多天线的能量采集装置及方法，能够提高能量采集装置的能量采集效率。
41.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
42.本发明实施例提供一种基于多天线的能量采集装置，具体可以应用于混凝土中，本实施例中的装置包括若干能量采集单元1，如图1和图2所示，各所述能量采集单元1包括：
43.天线单元11，包括依次设置的第一辐射体111、第二辐射体112以及第三辐射体113，第一辐射体111、第二辐射体112以及第三辐射体113均是金属材料，例如可以是铜，铝，钢等，具体可以根据实际需要选材，其中，第一辐射体的长度可以根据实际需要设定，通过调节第一辐射体的长度可以改变辐射体的电流路径，调节天线的谐振频率。所述第一辐射体和第二辐射体之间夹设有第一介质基板114；第二辐射体113与第三辐射体112之间夹设有第二介质基板。本实施例中第一介质基板和第二介质基板的材质可以为各种高分子材料、根据仿真而特制的改性材料、陶瓷、橡胶或玻璃等等，具体可以根据相对介电常数和损耗正切值的要求来选择相应的材料。所述第一辐射体111设置有用于将所述天线单元与能量采集芯片电气连接的馈电点；
44.能量采集芯片12，其输入端与第一辐射体111的所述馈电点耦合，用于接收所述天线单元收集到的交流电能，以转换成待用电能。
45.在具体实施过程中，天线单元11具体是通过阻抗匹配网络13与能量采集芯片12耦合的；即阻抗匹配网络和能量采集芯片均布局在印刷电路板上。阻抗匹配网络的作用是控
制信号的反射。本实施例中阻抗匹配网络包括若干阻抗协调单元，即包括若干元器件；各所述阻抗协调单元以串联方式、并联方式或者串联和并联结合的方式电气连接。阻抗匹配网络具体可以采用如图3所示的电路结构，元器件131、元器件132、元器件133、元器件134可以是电容、电阻或电感。阻抗匹配网络的输出端通过馈线135连接到能量采集芯片的输入端121，阻抗匹配网络13的输入端通过馈线136与天线单元11的第一辐射体的金属馈电片连接。由此就可以实现将与阻抗匹配网络对应的天线单元所输出的交流电信号传输给所述能量采集芯片。
46.本实施例在具体实施过程中，第一辐射体111上设置有用于改变第一辐射体电流路径的凹槽。在所述第一辐射体与第二辐射体之间还设置有短路装置，短路装置可以为金属探针穿过第一辐射体和第二辐射体。调节金属探针的位置用于调节所述天线单元的天线阻抗。
47.本实施例中通过设置若干能量采集单元，每个能量采集单元包括三个辐射体，通过这样的设计能够实现在同样电长度的条件下，降低混凝土的对天线的影响，由此能够提高效的接收基站或者信号发生器发送出来的电磁波能量，为后续基于电磁波能量来获得直流电提供了基础，提高了能量采集装置的能量采集效率。
48.在上述实施例的基础上，本发明另一实施例提供一种基于多天线的能量采集装置，如图4所示，本实施例的能量采集装置包括6个能量采集单元1，各能量采集单元1中的天线单元以队列的排列方式设置，即6个天线单元以队列的排列方式设置。能量采集装置可以以串联的方式电气连接；或者以并联的方式电气连接，也可以是以每3个能量采集单元串联后再并联的方式电气连接，或者是以每2个采集装置串联后并联的方式电气连接。具体连接方式可以根据实际情况选择。
49.具体的，本实施例中，每个能量采集单元包括天线单元、阻抗匹配网络以及能量采集芯片。6个天线单元的第一介质基板114为一体设置，即6个第一介质基板114为一体设置。6个天线单元的第三辐射体113也为一体设置，即6个第三辐射体113为一体设置。
50.每个能量采集单元中的阻抗匹配网络以及每个所述能量采集单元中的能量采集芯片设置在同一块印刷电路板2上，印制电路板2至少为双层板；所述印制电路板2的边缘嵌入所述一体设置的第一介质基板114。
51.在每个能量采集单元1中，第一辐射体111通过金属馈电片115与印制电路板组件2上面的馈电过孔相接，馈电过孔与馈线相连，通过馈线与对应的印刷电路板上的阻抗匹配网络相连，阻抗匹配网络通过微带线与印刷电路板上的能量采集芯片相连。印刷电路板2贴近第二辐射体112的下表面露铜并与第二辐射体112充分接触，以此来加强天线的可靠性，第二辐射体112设置与接地端，通过该接地端与地连接。6个第三辐射体也可以为一体设置，布满了整个能量采集装置的底部，第三辐射体作为反射板，能够增加90度角方向的增益，这样有利于提高向上方向的增益，从而提高能量采集装置在同等条件下、向上方向的传输距离。
52.本实施例在具体实施过程中，金属馈电片115可以设置在第一辐射体111上的任意位置。随着金属馈电片115位置的变化，天线单元的谐振频率也会呈现有规律的变化，相应的天线的阻抗也会发生变化。与此同时，金属馈电片115移动到不同位置的时候天线在指定频率925mhz下的增益(在不考虑回波损耗的前提下)变化甚微。即在只移动金属馈电片115
的前提下天线的阻抗会有变化，而天线辐射的方向性没有变化。因此通过配合金属馈电片115的位置以及阻抗匹配网络的中的各元器件参数的选择，可以让天线在指定频率的辐射性能达到最优。
53.本实例中的能量采集装置还包括带有容纳腔的外壳4，具体如图5所示。外壳4由壳顶壳底、4个侧壁组成。本实施例中的外壳材料可以为高分子材料。6个所述能量采集单元设置于外壳4的容纳腔内。外壳4与各第一辐射体对应的位置的厚度大于5mm，即壳顶的厚度大于5mm。在将本实施例中的能量采集装置填埋在钢筋混凝土中时，由于壳顶的厚度大于5mm，由此保障了第一辐射体和混凝土之间的距离大于5mm，从而保障了天线的辐射效率。
54.本发明中，通过调整天线单元中第一辐射体上的馈电点的位置和匹配网络的器件参数来使天线的辐射性能达到最优。通过增加第三辐射体作为反射板可以调整天线的方向性，从而使天线在可利用方向上增益达到优秀的水平；通过增加壳顶厚度来降低天线在填埋在钢筋混凝土等恶劣电磁辐射环境中时辐射能量的损耗。综上所述可以达到强穿透性的效果。
55.进一步的，本实施例中的能量采集装置的输出端与一通信单元电气连接，用于为该通信单元供电。本实施例中，通信单元的器件也布局在印制电路板2上。通信单元中也包括天线单元，该天线单元的中包括两个辐射体，其中一个辐射体设置在印制电路板2上，另一个辐射体3是与能量采集芯片的输出端电气连接，由此能量采集芯片在将交流电转换成直流电之后就可以将该直流电输出给通信单元，以使该通信单元能够将传感器监测到的数据远程发送给用户终端或服务器。使得用户终端或服务器能够及时的获取到混凝土的使用情况。
56.本实施中当能量采集单元串联后各单元的目标电压就降低，相应的接收灵敏度绝对值增大，传输距离相应的增加。当能量采集单元并联后，单位时间内采集到的能量比单单元多，为后面的负载提供更多能量。本实施例中的天线单元能够极大程度的降低混凝土对天线的影响，即使填埋在钢筋混凝土中依然能与外界顺畅传输能量。
57.本实施例中，通过将各个能量采集单元以串联或者并联或者串联和并联的方式连接，能够实现良好的信号接收效果，极大程度的降低混凝土对天线单元的影响，即使填埋在钢筋混凝土中依然能够与外界顺畅的传输能量。
58.在上述实施例的基础上，本发明又一实施例提供一种能量采集装置，如图6所示，本实施例的能量采集装置包括6组能量采集单元1。各所述能量采集单元中的天线单元以环形的排列方式设置，即6个天线单元以环形的排列方式设置。6个能量采集装置可以以串联的方式电气连接；或者以并联的方式电气连接，也可以是以每3个能量采集单元串联后再并联的方式电气连接，或者是以每2个采集装置串联后并联的方式电气连接。具体连接方式可以根据实际情况选择。
59.具体的，本实施例中，每个能量采集单元包括天线单元、阻抗匹配网络以及能量采集芯片。6个能量采集单元的第一介质基板114为一体设置，即6个第一介质基板114为一体设置。6个天线单元的第一介质基板114为一体设置，即6个第一介质基板114为一体设置。6个天线单元的第三辐射体113也为一体设置，即6个第三辐射体113为一体设置。
60.每个能量采集单元中的阻抗匹配网络以及每个所述能量采集单元中的能量采集芯片设置在同一块印刷电路板2上，印制电路板2至少为双层板；所述印制电路板2的边缘嵌
入所述一体设置的第一介质基板114。
61.在每个能量采集单元1中，第一辐射体111通过所述金属馈电片115与印制电路板组件2上面的馈电过孔相接，馈电过孔与馈线相连，通过馈线与对应的印刷电路板上的阻抗匹配网络相连，阻抗匹配网络通过微带线与印刷电路板上的能量采集芯片相连。印刷电路板2贴近第二辐射体112的下表面露铜并与第二辐射体112充分接触，以此来加强天线的可靠性，第二辐射体112设置与接地端，通过该接地端与地连接。6个第三辐射体也可以为一体设置，布满了整个能量采集装置的底部，这样有利于提高向上方向的增益，从而提高能量采集装置在同等条件下、向上方向的传输距离。
62.本实施例在具体实施过程中，金属馈电片115可以设置在第一辐射体111上的任意位置。随着金属馈电片115位置的变化，天线单元的谐振频率也会呈现有规律的变化，相应的天线的阻抗也会发生变化。与此同时，金属馈电片115移动到不同位置的时候天线在指定频率925mhz下的增益(在不考虑回波损耗的前提下)变化甚微。即在只移动金属馈电片115的前提下天线的阻抗会有变化，而天线辐射的方向性没有变化。因此通过配合金属馈电片115的位置以及阻抗匹配网络13的中的各元器件参数的选择，可以让天线在指定频率的辐射性能达到最优。
63.本实例中的能量采集装置还包括带有容纳腔的外壳4。外壳4由壳顶壳底、4个侧壁组成。本实施例中的外壳材料可以为高分子材料。6个所述能量采集单元设置于外壳4的容纳腔内。外壳4与各第一辐射体对应的位置的厚度大于5mm，即壳顶的厚度大于5mm。在将本实施例中的能量采集装置填埋在钢筋混凝土中时，由于壳顶的厚度大于5mm，由此保障了第一辐射体和混凝土之间的距离大于5mm，从而保障了天线的辐射效率。
64.本发明中，通过调整天线单元中第一辐射体上的馈电点的位置和匹配网络的器件参数来使天线的辐射性能达到最优。通过增加第三辐射体作为反射板可以调整天线的方向性，从而使天线在可利用方向上增益达到优秀的水平；通过增加壳顶厚度来降低天线在填埋在钢筋混凝土等恶劣电磁辐射环境中时辐射能量的损耗。综上所述可以达到强穿透性的效果。
65.进一步的，本实施例中的能量采集装置的输出端与一通信单元电气连接，用于为该通信单元供电。本实施例中，通信单元的器件也布局在印制电路板2上。通信单元中包括也天线单元，该天线单元的中包括两个辐射体，其中一个辐射体设置在印制电路板2上，另一个辐射体3是与能量采集芯片的输出端电气连接，由此能量采集芯片在将交流电转换成直流电之后就可以将该直流电输出给通信单元，以使该通信单元能够将传感器监测到的数据远程发送给用户终端或服务器。使得用户终端或服务器能够及时的获取到混凝土的使用情况。
66.本发明实施例中的能量采集装置，多个能量采集单元可以自由串联、并联组合。能量采集单元串联后各单元的目标电压就降低，相应的接收灵敏度绝对值增大，传输距离相应的增加。能量采集单元并联后，单位时间内采集到的能量比单个单元多，为后面的负载提供更多能量。这样，能量采集芯片发挥最大的效用，增加整个系统的通信距离，能够应对恶劣电磁传播环境。
67.本发明的有益效果如下：
68.本发明中的能量采集装置结构多样化，可根据性能需求来大型化设备，也可在考
虑钢筋混凝图结构强度的情况下小型化设备。
69.本发明能量采集装置，通过完善的阻抗匹配网络，可以在不改变天线形态的情况下，根据频段需求来改变天线的谐振频率。
70.本发明中的能量采集装置，填埋在钢筋混凝土之后信号衰减较小，相比于自由空间传输距离降低幅度较小。
71.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
72.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。