一种用于微波能量收集的圆盘耦合馈电小型化圆极化天线的制作方法

1.本发明涉及一种小型化圆极化天线，尤其是一种用于微波能量收集的圆盘耦合馈电小型化圆极化天线。


背景技术：

2.随着技术的发展，天线的应用范围不断拓展，特别是近几年无线电能传输技术的发展，天线被广泛应用于微波无线能量传输(mwpt)系统中。mwpt主要依赖收发天线进行无线电能的远距离输送，在能量传输系统中，天线小型化技术有利于将能量收集装置集成到各类的用电设备上(如小型无人机等)，一直是一个值得研究的问题。对于mwpt系统，在接收端的微波整流电路只有在特定的输入功率下才能达到效率的峰值，这对接收天线输入功率的稳定性有要求，而圆极化天线不容易受到极化偏转的影响，可以提高接收端输入功率的稳定性，因此非常适用于微波能量收集系统。可以说，小型圆极化天线对于微波能量收集来说具有十分重要的意义。
3.目前已经有许多关于微带天线小型化技术的研究，若直接采用高介电常数的基片，就会带来严重的表面波效应，使得天线的辐射效率降低，前后比变差。一般传统的设计方式是在贴片表面开孔，由于在贴片表面开孔使电流绕流，相当于引入了级联电感，故贴片的尺寸会减小；也有一些学者设计了弯曲、折叠的微带线形式的小型天线，就是通过牺牲水平或者垂直距离来达到减小尺寸的目的；一些小型微带天线采用特殊的贴片形式，例如方环型的微带天线，环微带天线具有比普通贴片天线更小的尺寸(因为它增加了电流路径)，但是这也会造成50ω阻抗匹配的困难；在设计圆极化微带天线的时候，馈电网络本身就占有一定的尺寸，这就给微带天线进一步小型化带来了诸多困难，如何把馈电网络设计得更小，近年来也有不少相关的研究。而微带天线实现圆极化的方法，最常用的就是通过双馈或者多馈的方式，在正交的方向上进行相位相差90度的馈电，从而激励起圆极化波，由于其馈电结构简单，这更有利于工程实现，所以实际应用中常出现。然而单馈圆极化对于设计精度要求高，且轴比难以优化，因此给天线设计带来了难度。


技术实现要素：

4.发明目的：提供一种用于微波能量收集的圆盘耦合馈电小型化圆极化天线，能够在保证天线其他性能不劣化的前提下，具有很好的小型化效果，而且实现了圆极化，有利于天线用于稳定的微波能量收集。
5.技术方案：本发明所述的用于微波能量收集的圆盘耦合馈电小型化圆极化天线，包括介质板以及导电探针；在介质板的上侧面中心处设置有圆形金属层，并在圆形金属层的偏心位置处设置有偏心圆孔；在介质板内平行于上侧板面嵌入设置有一个耦合馈电圆盘，且耦合馈电圆盘的圆心偏离圆形金属层的圆心以及偏心圆孔的圆心；
6.介质板的下侧面为地板，导电探针的上端与耦合馈电圆盘的下侧面圆心处电连接，导电探针的下端与地板电连接。
7.进一步的，介质板包括上层介质板和下层介质板；上层介质板固定设置在下层介质板的上方；耦合馈电圆盘嵌入设置于上层介质板的下侧面与下层介质板的上侧面的连接处。
8.进一步的，下层介质板的厚度h2是上层介质板的厚度h1的两倍。
9.进一步的，下层介质板的厚度h2范围为1.8～2.2mm，上层介质板的厚度h1范围为0.9～1.1mm。
10.进一步的，下层介质板的厚度h2为2mm，上层介质板的厚度h1为1mm。
11.进一步的，上层介质板和下层介质板均为正方形板，且材质相同，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
12.进一步的，圆形金属层的半径a范围为18～20mm；偏心圆孔的半径b范围为10～10.5mm；耦合馈电圆盘的半径s范围为4.8～5mm。
13.进一步的，圆形金属层的半径a为19mm；偏心圆孔的半径b为10.25mm；耦合馈电圆盘的半径s为4.9mm。
14.进一步的，耦合馈电圆盘的圆心、圆形金属层的圆心以及偏心圆孔的圆心在同一水平投影面上的投影不共线。
15.进一步的，在水平投影面上，以圆形金属层的圆心投影为平面直角坐标系的原点(0，0)，则偏心圆孔的圆心投影坐标为(-2.7mm，2.7mm)，圆形金属层的圆心投影坐标为(0，-6.1mm)。
16.本发明与现有技术相比，其有益效果是：通过在圆形金属层表面的偏心位置处开偏心圆孔，并对形成的圆环采用圆盘耦合馈电来抑制表面电感效应提升天线性能，能够在不改变天线增益的前提下，其贴片尺寸减小为传统形式的70.7％，最大辐射方向轴比为2.1db，并且实现了圆极化，能够在保持天线阻抗特性、带宽及增益性能的同时，具有较好的小型化效果，因此具有广阔的应用前景。
附图说明
17.图1为本发明的圆极化天线俯视示意图；
18.图2为本发明的圆极化天线侧视示意图；
19.图3为现有技术贴片天线俯视示意图；
20.图4为现有技术贴片天线等效电路图；
21.图5为本发明的圆极化天线等效电路图；
22.图6为本发明的圆极化天线与现有技术贴片天线的s11曲线对比图；
23.图7为本发明的圆极化天线与现有技术贴片天线的增益曲线对比图；
24.图8为本发明的圆极化天线与仿真天线的s11曲线对比图；
25.图9为本发明的圆极化天线与仿真天线的增益对比图；
26.图10为本发明的圆极化天线与仿真天线的轴比对比图。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
28.实施例1：
29.如图1和2所示，本发明所述的用于微波能量收集的圆盘耦合馈电小型化圆极化天线，包括介质板以及导电探针5；在介质板的上侧面中心处设置有圆形金属层3，并在圆形金属层3的偏心位置处设置有偏心圆孔6；在介质板内平行于上侧板面嵌入设置有一个耦合馈电圆盘4，且耦合馈电圆盘4的圆心偏离圆形金属层3的圆心以及偏心圆孔6的圆心；
30.介质板的下侧面为地板，导电探针5的上端与耦合馈电圆盘4的下侧面圆心处电连接，导电探针5的下端与地板电连接。
31.通过在圆形金属层表面的偏心位置处开偏心圆孔，并对形成的圆环采用圆盘耦合馈电来抑制表面电感效应提升天线性能，能够在不改变天线增益的前提下，其贴片尺寸减小为传统形式的70.7％，最大辐射方向轴比为2.1db，并且实现了圆极化，能够在保持天线阻抗特性、带宽及增益性能的同时，具有较好的小型化效果。
32.进一步的，介质板包括上层介质板2和下层介质板1；上层介质板2固定设置在下层介质板1的上方；上层介质板2的背面不敷铜；耦合馈电圆盘4嵌入设置于上层介质板2的下侧面与下层介质板1的上侧面的连接处。利用上层介质板2和下层介质板1固定构成介质板，能够便于嵌入设置耦合馈电圆盘4，使得天线易于加工。
33.进一步的，下层介质板1的厚度h2是上层介质板2的厚度h1的两倍。
34.进一步的，下层介质板1的厚度h2范围为1.8～2.2mm，上层介质板2的厚度h1范围为0.9～1.1mm。
35.进一步的，下层介质板1的厚度h2优选为2mm，上层介质板2的厚度h1优选为1mm。
36.进一步的，上层介质板2和下层介质板1均为正方形板，且材质相同，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
37.进一步的，圆形金属层3的半径a范围为18～20mm；偏心圆孔6的半径b范围为10～10.5mm；耦合馈电圆盘4的半径s范围为4.8～5mm。
38.进一步的，圆形金属层3的半径a优选为19mm；偏心圆孔6的半径b优选为10.25mm；耦合馈电圆盘4的半径s优选为4.9mm。
39.进一步的，耦合馈电圆盘4的圆心、圆形金属层3的圆心以及偏心圆孔6的圆心在同一水平投影面上的投影不共线。
40.进一步的，在水平投影面上，以圆形金属层3的圆心投影为平面直角坐标系的原点(0，0)，则偏心圆孔6的圆心投影坐标优选为(-2.7mm，2.7mm)，圆形金属层3的圆心投影坐标优选为(0，-6.1mm)。通过这个不对称结构能够在圆形金属层3表面正交方向上激励起两个相位相差90度的简并模，当这两个模式在同一个频率(2.45ghz)谐振时，在该频点就实现了圆极化。
41.为了说明本发明的天线小型化优势，本发明给出了现有技术中的一种贴片式天线结构，如图3所示，在介质板上设置有圆形贴片，通过馈电探针实现馈电。在该贴片式天线结构中金属馈电探针的馈电则相当于电感lk，圆形贴片相当于电容c
mn
、电感l
mn
以及导纳g
mn
的并联电路，等效电路如图4所示。
42.本发明的所述的用于微波能量收集的圆盘耦合馈电小型化圆极化天线中，由于采用了耦合馈电圆盘4实现圆盘耦合馈电，相当于在导电探针5上进行容性阻抗补偿，因此馈电时等效参数可以等效为一个电感l'k和电容c'k串联电路，天线在工作频率上可以等效为
电容c'
mn
、电感l'
mn
以及导纳g'
mn
组成的并联电路，等效电路如图5所示。
43.比较两个等效电路，由于电流路径延长所带来的表面的电感效应，即l'
mn
＞l
mn
，因此图1中的圆形金属层尺寸比图3中的圆形贴片尺寸有所减小，从而造成c'
mn
＜c
mn
，根据lc等效电路频率计算公式，可以证明采用本发明的天线相比于现有技术中的天线能够较好的降低谐振频率并实现天线小型化：
[0044][0045]
本发明的所述的用于微波能量收集的圆盘耦合馈电小型化圆极化天线，通过在圆形金属层3表面的偏心位置处开偏心圆孔6，并对形成的圆环采用圆盘耦合馈电来抑制表面电感效应提升天线性能，仿真证明在不改变天线增益的前提下，其贴片尺寸减小为传统形式的70.7％，最大辐射方向轴比为2.1db，并且实现了圆极化，仿真证明本发明的天线设计能够在保持天线阻抗特性、带宽及增益性能的同时，具有较好的小型化效果，因此具有广阔的应用前景。不仅如此，本发明的天线结构还具有馈电网络简单、易于加工的优势。
[0046]
将本发明的圆极化天线设计与目前现有的几种传统设计进行了对比，在附图3中为传统天线设计，图1为本发明的圆极化天线设计，图6是两种设计的s11参数对比，从本发明的圆极化天线设计和传统圆形贴片天线的对比上来看，本发明的圆极化天线设计相比于传统圆形天线而言，其带宽几乎没有变化，-10db带宽仅仅少了10mhz，而从增益性能看也几乎没有变化，最大增益分别为7.28db和7.11db。这说明，本设计在很好的保留了原有天线的性能的同时实现了小型化。
[0047]
本发明的圆极化天线设计实物模型被加工出来，并将天线仿真参数和实测参数在图8、图9和图10中进行了对比，从s11参数、增益以及轴比参数来看，实测结果和仿真结果基本吻合，虽然有一定的误差，主要是由于加工、材质误差造成，可以忽略，这说明本发明的圆极化天线设计是可行的，另本发明的圆极化天线设计是在薄铜敷铜的情况下对介质板进行的设计仿真，默认敷铜厚度为0.0009mm。
[0048]
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。