CN111355014B - 一种宽频带双极化太阳电池天线及天线阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种宽频带双极化太阳电池天线及天线阵，包括由上至下依次设置的天线振子层、隔离层、太阳电池片层、天线底座；所述天线振子层通过金属柱馈电结构与所述天线底座和同轴射频连接器连接，所述太阳电池片层设置在所述天线底座上，所述隔离层设置在所述天线振子层和所述太阳电池片层之间，所述隔离层采用透明材料设置；本发明遮光小，透明度高、且具备宽频带双极化大角度扫描能力，既保证了天线的性能，又保证了太阳电池的发电效率，具备较高的工程应用价值。

Description

一种宽频带双极化太阳电池天线及天线阵
技术领域
本发明涉及天线设备领域，具体涉及一种宽频带双极化太阳电池天线及天线阵。
背景技术
目前，太阳电池作为光能向电能转化装置广泛应用于太阳能发电站、屋顶发电阵列、太阳能路灯、太阳能飞机、轮船、汽车等方面。天线作为电磁收发装置广泛应用于各种通讯设备、电磁探测设备等方面。阵列天线和太阳电池均需要一定的口径面积用于提供有效增益和收集太阳光，将太阳电池和天线阵列一体化设计，从而设计出具备天线和太阳电池功能的新型装置，而且，太阳电池发电电能可以分布式直接供天线***使用，相比外部集中供电，明显缩短了供电线路，降低了传输损耗。
当前，有一些太阳电池与天线一体化的文献报道，但大部分为单极化天线，工作带宽较窄，天线与太阳电池的相互性能影响较大，难以实现太阳电池与宽频带双极化天线的一体化。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种宽频带双极化太阳电池天线，包括由上至下依次设置的天线振子层、隔离层、太阳电池片层、天线底座；所述天线振子层通过金属柱馈电结构与所述天线底座和同轴射频连接器连接，所述太阳电池片层设置在所述天线底座上，所述隔离层设置在所述天线振子层和所述太阳电池片层之间，所述隔离层采用透明材料制作。
较佳的，所述天线振子层包括双极化振子、寄生贴片、基底，所述双极化振子设置在所述基底的上表面，所述寄生贴片设置在所述基底的下表面，所述基底采用透明材料制作。
较佳的，所述双极化振子设置为“镂空蝴蝶结”状，包括垂直极化振子和水平极化振子，所述垂直极化振子和所述水平极化振子呈L型正交设置；所述垂直极化振子和所述水平极化振子通过所述金属柱馈电结构与所述天线底座连接，所述寄生贴片设置在所述垂直极化振子和所述水平极化振子垂足位置的正下方。
较佳的，所述寄生贴片设置为金属材质的圆环内套十字结构。
较佳的，所述垂直极化振子和所述水平极化振子为线极化结构，均由多段金属线段围成封闭蝴蝶结状环，均包括对称设置的第一振子部和第二振子部，所述第一振子部和所述第二振子部不连通；所述第一振子部和所述第二振子部内部中空，且在所述第一振子部和所述第二振子部相对设置的两端设置有用于连接所述金属柱馈电结构的金属部。
较佳的，所述金属柱馈电结构包括接地金属柱和馈电金属柱，所述接地金属柱和所述馈电金属柱均垂直于所述天线底座设置，所述接地金属柱设置为圆柱体或者长方体，所述馈电金属柱为圆柱体，所述接地金属柱上端设置有接地焊针，所述馈电金属柱上端设置有馈电焊针，所述接地焊针、所述馈电焊针与所述双极化振子连接。
较佳的，所述接地焊针和所述馈电焊针均设置为圆柱型，所述馈电焊针的直径不大于所述馈电金属柱的直径，所述接地焊针的直径小于所述接地金属柱的边长或直径，所述接地焊针和所述馈电焊针的高度大于所述基底的厚度。
较佳的，所述接地金属柱下端与所述天线底座相连，所述馈电金属柱下端与所述同轴射频连接器的正极相连，所述同轴射频连接器设置在所述天线底座内，所述同轴射频连接器与所述天线底座上表面之间设置有圆柱空气馈电孔。
较佳的，所述太阳电池片层包括太阳电池片和绝缘薄膜，所述太阳电池片通过所述绝缘薄膜与所述天线底座隔离开，所述太阳电池片及所述绝缘薄膜在所述馈电金属柱和所述接地金属柱的位置处设置有圆形孔。
较佳的，一种天线阵，通过若干所述双极化太阳电池天线按方形栅格阵列形成；所述垂直极化振子与所述水平极化振子周期性排布，在所述天线阵的***四边设置若干寄生振子，所述寄生振子外侧端点连接寄生接地金属柱。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，本发明遮光小，透明度高、且具备宽频带双极化大角度扫描能力，既保证了天线的性能，又保证了太阳电池的发电效率，具备较高的工程应用价值；2，本发明较好的兼顾了天线和太阳电池的性能，采用“镂空蝴蝶结”状振子外形，使得天线具备宽的工作带宽，同时具备良好透光性，采用垂直并立的接地金属柱和馈电金属柱馈电结构，不仅保证了天线宽频带馈电、垂直树立的馈电柱也减小了遮光，而且该金属柱还能起到支撑天线振子的作用；3，所述宽频带双极化太阳电池天线，太阳电池发电能可供天线***使用，可应用到太阳能路灯、屋顶太阳能板、卫星太阳板等场景，因其具备宽频带双极化工作能力，特别适合用于5G低频sub-6GHz发射及接收终端设备，如5G车联网、5G发射及接收基站，具备很高的创造性。
附图说明
图1为所述宽频带双极化太阳电池天线的结构立体图；
图2为所述宽频带双极化太阳电池天线的结构俯视图；
图3为所述宽频带双极化太阳电池天线的侧视剖面图；
图4为所述天线阵的结构立体图；
图5为所述天线阵的结构俯视图；
图6为相邻所述双极化太阳电池天线的结构位置示意图。
图中数字表示：
1-双极化振子；2-寄生贴片；3-基底；4-隔离层；5-太阳电池片；6-绝缘薄膜；7-天线底座；8-同轴射频连接器；9-接地金属柱；10-馈电金属柱；11-馈电焊针；12-接地焊针；13-空气馈电孔；14-圆形孔；15-第一太阳电池引线；16-第二太阳电池引线；20-垂直极化振子；21-水平极化振子；22-寄生振子；23-寄生接地金属柱。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例一
如图1、图2、图3所示，图1为所述宽频带双极化太阳电池天线的结构立体图；图2为所述宽频带双极化太阳电池天线的结构俯视图；图3为所述宽频带双极化太阳电池天线的侧视剖面图。
所述宽频带双极化太阳电池天线包括由上至下依次设置的天线振子层、隔离层4、太阳电池片层、天线底座7。所述天线振子层通过金属柱馈电结构与所述天线底座7和同轴射频连接器8连接，所述太阳电池片层设置在所述天线底座7上，所述隔离层4设置在所述天线振子层和所述太阳电池片层之间。
所述天线振子层包括双极化振子1、寄生贴片2、基底3，所述双极化振子1设置在所述基底3的上表面，所述寄生贴片2设置在所述基底3的下表面。
所述双极化振子1设置为“镂空蝴蝶结”状，包括垂直极化振子20和水平极化振子21，所述垂直极化振子20和所述水平极化振子21呈L型正交设置。所述垂直极化振子20和所述水平极化振子21通过所述金属柱馈电结构与所述天线底座7连接。
所述基底3采用透明介质设置，一般的，可采用透明玻璃、透明树脂等材料，优选高透光率材料，以减小对太阳电池采光的影响。
所述双极化振子1设置在所述基底3的上表面，所述寄生贴片2设置在所述基底3的下表面，且所述寄生贴片2设置在所述垂直极化振子20和所述水平极化振子21垂足位置的正下方。
所述寄生贴片2设置为金属材质的圆环内套十字结构，所述寄生贴片2的金属图案用于拓展天线工作带宽，并且，这种图案结构占用面积小，可减小对光线遮挡。
较佳的，所述垂直极化振子20和所述水平极化振子21为线极化结构，均由多段金属线段围成封闭蝴蝶结状环，均包括对称设置的第一振子部和第二振子部，所述第一振子部和所述第二振子部不连通，存在一定的间隙。具体的，所述第一振子部和所述第二振子部内部中空，且在所述第一振子部和所述第二振子部相对设置的两端保留一小块金属图案，用于连接所述金属柱馈电结构。采用“镂空蝴蝶结”状的所述双极化振子1主要用于减小振子图案的面积，减小对太阳电池采光遮挡，同时该振子的结构形式具有宽的工作带宽。
值得指出的是，圆环内套十字结构的所述寄生贴片2与相邻的所述宽频带双极化太阳电池天线共用，且相邻的两所述宽频带双极化太阳电池天线中，两所述垂直极化振子20和两所述水平极化振子21十字交叉设置，且所述寄生贴片2设置在两所述垂直极化振子20和两所述水平极化振子21十字交叉处的正下方。
所述隔离层4为透明介质隔离层4，所述隔离层4可设置为空气、玻璃、透明树脂等，同样的，优选高透光率材料。在本实施例中，采用空气作为透明介质隔离层4。
所述太阳电池片层包括太阳电池片5和绝缘薄膜6，所述太阳电池片5通过所述绝缘薄膜6与所述天线底座7隔离开。
所述金属柱馈电结构包括接地金属柱9和馈电金属柱10，所述接地金属柱9和所述馈电金属柱10均垂直于所述天线底座7设置，所述接地金属柱9设置为圆柱体或者长方体，所述馈电金属柱10为圆柱体，所述接地金属柱9上端设置有接地焊针12，所述馈电金属柱10上端设置有馈电焊针11。
所述接地焊针12和所述馈电焊针11均设置为圆柱型，所述馈电焊针11的直径不大于所述馈电金属柱10的直径，所述接地焊针12的直径小于所述接地金属柱9的边长或直径。
所述基底3对应所述接地焊针12和所述馈电焊针11处设置有连接孔，从而保证所述接地焊针12和所述馈电焊针11与位于所述基底3上表面的所述双极化振子1连接，所述接地焊针12和所述馈电焊针11高度略大于所述基底3的厚度，以便于所述接地焊针12、所述馈电焊针11与所述双极化振子1焊接。
所述接地金属柱9下端与所述天线底座7相连，所述馈电金属柱10下端与所述同轴射频连接器8的正极相连，所述同轴射频连接器8设置在所述天线底座7内，在本实施例中，所述同轴射频连接器8的探针作为所述馈电金属柱10使用，从而保证了馈电金属柱10的连续性。
值得指出的是，所述接地金属柱9和所述馈电金属柱10同时还对所述天线振子层起到支撑的作用，从而保证所述宽频带双极化太阳电池天线的整体结构设置。
所述同轴射频连接器8与所述天线底座7上表面之间设置有一定高度的圆柱空气馈电孔13，所述馈电孔可用于调节天线馈电匹配。所述空气馈电孔13作为馈电匹配使用，可改善天线驻波，并且所述空气馈电孔13的直径较小，有利于所述接地金属柱9和所述馈电金属柱10紧密排列，改善天线馈电性能。
所述太阳电池片5及所述绝缘薄膜6在所述馈电金属柱10和所述接地金属柱9的位置处设置有圆形孔14，以保证所述馈电金属柱10和所述接地金属柱9不与太阳电池片5接触。
多个所述太阳电池片5之间设置矩形栅格状引线连通收集电能，具体的，所述太阳电池片5上下面均有电极，在两所述电极上引出集电线，具体所述集电线包括第一太阳电池引线15和第二太阳电池引线16，所述太阳电池片5可通过所述第一太阳电池引线15和第二太阳电池引线16与天线***连接，从而实现对天线***的供电，实现所述宽频带双极化太阳电池天线***的自供电能力。
实施例二
如图4、图5、图6所示，图4为所述天线阵的结构立体图；图5为所述天线阵的结构俯视图；图6为相邻所述双极化太阳电池天线的结构位置示意图。本发明所述天线阵通过若干所述双极化太阳电池天线按方形栅格阵列形成。所述垂直极化振子20与所述水平极化振子21周期性排布，所述金属柱馈电结构位于所述垂直极化振子20与所述水平极化振子21“镂空蝴蝶结”状的中部。
为了改善天线性能，在所述天线阵的***四边设置了若干寄生振子22，所述寄生振子22外侧端点连接寄生接地金属柱23。
所述太阳电池片5设置为一整块电池片，所述太阳电池片5上下面均有电极，在两所述电极上引出集电线。
本实施案例的双极化振子1天线为方形栅格布阵，单元间距为26.2mm，玻璃基底3厚度为1.1mm，中间空气隔离层4厚度为10.6mm。这种双极化天线在2-6GHz频带内，可实现二维±45°扫描，并且扫描驻波小于3。
本发明较好的兼顾了天线和太阳电池的性能，采用“镂空蝴蝶结”状振子外形，使得天线具备宽的工作带宽，同时具备良好透光性，采用垂直并立的接地金属柱9和馈电金属柱10馈电结构，不仅保证了天线宽频带馈电、垂直树立的馈电柱也减小了遮光，而且该金属柱还能起到支撑天线振子的作用。这种集成太阳电池的一体化天线，太阳电池发电能可供天线***使用，可应用到太阳能路灯、屋顶太阳能板、卫星太阳板等场景，因其具备宽频带双极化工作能力，特别适合用于5G低频sub-6GHz发射及接收终端设备，如5G车联网、5G发射及接收基站，具备很高的创造性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种宽频带双极化太阳电池天线，其特征在于，包括由上至下依次设置的天线振子层、隔离层、太阳电池片层、天线底座；所述天线振子层通过金属柱馈电结构与所述天线底座和同轴射频连接器连接，所述太阳电池片层设置在所述天线底座上，所述隔离层设置在所述天线振子层和所述太阳电池片层之间，所述隔离层采用透明材料制作；
所述天线振子层包括双极化振子、寄生贴片、基底，所述双极化振子设置在所述基底的上表面，所述寄生贴片设置在所述基底的下表面，所述基底采用透明材料制作；
所述双极化振子设置为“镂空蝴蝶结”状，包括垂直极化振子和水平极化振子，所述垂直极化振子和所述水平极化振子呈L型正交设置；所述垂直极化振子和所述水平极化振子通过所述金属柱馈电结构与所述天线底座连接，所述寄生贴片设置在所述垂直极化振子和所述水平极化振子垂足位置的正下方；
所述寄生贴片设置为金属材质的圆环内套十字结构；
所述垂直极化振子和所述水平极化振子均由多段金属线段围成封闭蝴蝶结状环，均包括对称设置的第一振子部和第二振子部，所述第一振子部和所述第二振子部不连通；所述第一振子部和所述第二振子部内部中空，且在所述第一振子部和所述第二振子部相对设置的两端设置有用于连接所述金属柱馈电结构的金属部。
2.如权利要求1所述的宽频带双极化太阳电池天线，其特征在于，所述金属柱馈电结构包括接地金属柱和馈电金属柱，所述接地金属柱和所述馈电金属柱均垂直于所述天线底座设置，所述接地金属柱设置为圆柱体或者长方体，所述馈电金属柱为圆柱体，所述接地金属柱上端设置有接地焊针，所述馈电金属柱上端设置有馈电焊针，所述接地焊针、所述馈电焊针与所述双极化振子连接。
3.如权利要求2所述的宽频带双极化太阳电池天线，其特征在于，所述接地焊针和所述馈电焊针均设置为圆柱型，所述馈电焊针的直径不大于所述馈电金属柱的直径，所述接地焊针的直径小于所述接地金属柱的边长或直径，所述接地焊针和所述馈电焊针的高度大于所述基底的厚度。
4.如权利要求2所述的宽频带双极化太阳电池天线，其特征在于，所述接地金属柱下端与所述天线底座相连，所述馈电金属柱下端与所述同轴射频连接器的正极相连，所述同轴射频连接器设置在所述天线底座内，所述同轴射频连接器与所述天线底座上表面之间设置有圆柱空气馈电孔。
5.如权利要求2所述的宽频带双极化太阳电池天线，其特征在于，所述太阳电池片层包括太阳电池片和绝缘薄膜，所述太阳电池片通过所述绝缘薄膜与所述天线底座隔离开，所述太阳电池片及所述绝缘薄膜在所述馈电金属柱和所述接地金属柱的位置处设置有圆形孔。
6.一种天线阵，其特征在于，将若干如权利要求1-5中任一项所述的双极化太阳电池天线按方形栅格阵列形成；所述垂直极化振子与所述水平极化振子周期性排布，在所述天线阵的***四边设置若干寄生振子，所述寄生振子外侧端点连接寄生接地金属柱。
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