CN112751172B - 一种用于射频能量采集的高增益定向辐射双频接收天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于射频能量采集的高增益定向辐射双频接收天线，包括上层电路板、下层电路板、空气层和尼龙支柱；上层电路板通过尼龙支柱和下层电路板固定连接；空气层固定设置于上层电路板和下层电路板之间；上层电路板呈微带‑缝隙辐射结构，用于激发双频接收天线的工作模式；下层电路板呈发射结构，用于提高双频接收天线的增益系数和保证双频接收天线的定向辐射性。本发明设计了一种用于WLAN工作频段射频能量采集的接收天线，具有增益高、双宽频带和定向辐射的特点，用于接收来源方向明确的射频信号，为射频能量采集***的后续部分提供更高的输入，可以大大提升射频能量采集***的效率。

Description

一种用于射频能量采集的高增益定向辐射双频接收天线
技术领域
本发明属于天线技术和射频能量采集技术领域，具体涉及一种用于射频能量采集的高增益定向辐射双频接收天线。
背景技术
现如今，随着“万物互联”的概念的普及，大规模的传感器网络已在人类社会中应用开来。一方面，这些电子设备往往依赖原电池供电，频繁更换电池会增加设备的维护成本；另一方面，这些传感器之间依靠电磁波进行信息传输，因此环境中的射频能量密度大大提高。基于以上两点，利用射频能量采集技术构建免电池***成为了较为热门的研究对象。
射频能量具有来源稳定、分布广泛、不受天气时间等影响和环境友好的优点，但其在环境中的能量密度较低的缺点也很明显。因此，在进行射频能量采集时，如何提升采集***的灵敏度尤为关键。而接收天线作为射频能量采集最前端的一环，设计一个高增益、多频段的接收天线将有利于提高射频能量采集***的效率。
发明内容
本发明的目的是为了解决提高射频能量采集***效率的问题，提出了一种用于射频能量采集的高增益定向辐射双频接收天线。
本发明的技术方案是：一种用于射频能量采集的高增益定向辐射双频接收天线包括上层电路板、下层电路板、空气层和尼龙支柱；
上层电路板通过尼龙支柱和下层电路板固定连接；空气层固定设置于上层电路板和下层电路板之间；
上层电路板呈微带-缝隙辐射结构，用于激发双频接收天线的工作模式；下层电路板呈发射结构，用于提高双频接收天线的增益系数和保证双频接收天线的定向辐射性。
本发明的有益效果是：本发明设计了一种用于WLAN工作频段射频能量采集的接收天线，具有增益高、双宽频带和定向辐射的特点，用于接收来源方向明确的射频信号，为射频能量采集***的后续部分提供更高的输入，可以大大提升射频能量采集***的效率。
进一步地，上层电路板覆盖无线局域网的2.4GHz频段和5.8GHz频段。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，上层电路板通过一种微带-缝隙辐射结构，激发了天线两个工作模式，使天线的工作频段覆盖了无线局域网的两个频段，拓展了天线接收射频能量的范围。
进一步地，双频接收天线的工作频段为2.07GHz-3.33GHz和5.16GHz-5.90GHz，在工作频段内，增益系数最低为8.7dBi，最高为10dBi。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，双频工作频段使得该天线具有频带宽、增益高，方向性好等优势。
进一步地，上层电路板包括基板、矩形板、第一通孔；
矩形板的一侧分别与基板两侧的顶端和底端固定连接；通孔固定开设于各个矩形板的中心；尼龙支柱的一端穿设于第一通孔。
进一步地，基板的长度为63.9mm，宽度为37mm，厚度为0.8mm，其材质为FR4板材；矩形板的长度为15mm，宽度为15mm，厚度为0.8mm。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，天线采用0.8mm厚的FR4材料作为介质基板，相对于其他材料具有价格低的优势。
进一步地，基板包括微带馈线、微带辐射贴片和短路支节，且基板的底端中心固定设置有同轴馈电通孔；微带馈线呈L型；微带馈线和同轴馈电通孔固定连接；微带馈线通过同轴馈电通孔连接至微带辐射贴片，且通过短路支节终止；基板的背面固定铺设有铜层，其中间固定开设有槽型缝隙。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，这种组合有利于扩大天线的阻抗带宽，同时更容易形成双频特性。在天线的正下方放置一个反射板，以达到使天线定向辐射、提高天线的增益的目的。
进一步地，双频接收天线的工作模式包括偶模工作模式和奇模工作模式；
偶模工作模式中，双频接收天线的辐射由微带辐射贴片决定，槽型缝隙两边的电场方向相同，其电流流向相同；
奇模工作模式中，双频接收天线的辐射由带有槽形缝隙的接地板决定，槽形缝隙的电场方向相反，其电流流向相反。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，偶模工作模式的电流集中在微带线附近，因此也将偶模称为准微带模式。奇模工作模式中，天线的电流很大程度集中在缝隙附近，并呈现与缝隙形状相似的分布，因此也将其称为准缝隙模式。本发明就是利用这两种工作模式，使天线同时工作在WLAN的2.4GHz频段和5.8GHz频段。
进一步地，下层电路板的四角上均固定开设有第二通孔；
尼龙支柱的另一端穿设于第二通孔。
进一步地，下层电路板的长度为96mm，宽度为73mm，厚度为0.8mm，其材质为FR4板材；下层电路板的正面固定铺设有铜。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，下层电路板的正面全部覆铜，起到反射信号的作用，使天线有着更好的定向辐射性。
进一步地，空气层的高度为18mm。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，能够使得天线回波损耗在-10dB以下的频带范围更宽，效果更佳。
附图说明
图1为双频接收天线的结构图；
图2为天线上层电路板正面的结构图；
图3为天线上层电路板背面的结构图；
图4为天线下层电路板的结构图；
图5为天线回波损耗参数S11曲线；
图6为天线的增益随频率的变化曲线；
图7为天线2.4GHz三维辐射方向图；
图8为天线5.8GHz三维辐射方向图；
图中，1、上层电路板；1-1、基板；1-2、矩形板；1-3、第一通孔；1-4、微带馈线；1-5、微带辐射贴片；1-6、短路支节；1-7、同轴馈电通孔；2、下层电路板；2-1、第二通孔；3、空气层；4、尼龙支柱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供了一种用于射频能量采集的高增益定向辐射双频接收天线，包括上层电路板1、下层电路板2、空气层3和尼龙支柱4；
上层电路板1通过尼龙支柱4和下层电路板2固定连接；空气层3固定设置于上层电路板1和下层电路板2之间；
上层电路板1呈微带-缝隙辐射结构，用于激发双频接收天线的工作模式；下层电路板2呈发射结构，用于提高双频接收天线的增益系数和保证双频接收天线的定向辐射性。
在本发明实施例中，如图1所示，上层电路板1覆盖无线局域网的2.4GHz频段和5.8GHz频段。
在本发明中，上层电路板通过一种微带-缝隙辐射结构，激发了天线两个工作模式，使天线的工作频段覆盖了无线局域网的两个频段，拓展了天线接收射频能量的范围。
在本发明实施例中，如图5所示，双频接收天线的工作频段为2.07GHz-3.33GHz和5.16GHz-5.90GHz，在工作频段内，增益系数最低为8.7dBi，最高为10dBi。
在本发明中，双频工作频段使得该天线具有频带宽、增益高，方向性好等优势。
在本发明实施例中，如图2所示，上层电路板1包括基板1-1、矩形板1-2、第一通孔1-3；
矩形板1-2的一侧分别与基板1-1两侧的顶端和底端固定连接；通孔1-3固定开设于各个矩形板1-2的中心；尼龙支柱4的一端穿设于第一通孔1-3。
在本发明实施例中，如图2所示，基板1-1的长度为63.9mm，宽度为37mm，厚度为0.8mm，其材质为FR4板材；矩形板1-2的长度为15mm，宽度为15mm，厚度为0.8mm。
在本发明中，天线采用0.8mm厚的FR4材料作为介质基板，相对于其他材料具有价格低的优势。
在本发明实施例中，如图2所示，基板1-1包括微带馈线1-4、微带辐射贴片1-5和短路支节1-6，且基板1-1的底端中心固定设置有同轴馈电通孔1-7；微带馈线1-4呈L型；微带馈线1-4和同轴馈电通孔1-7固定连接；微带馈线1-4通过同轴馈电通孔1-7连接至微带辐射贴片1-5，且通过短路支节1-6终止；基板1-1的背面固定铺设有铜层，其中间固定开设有槽型缝隙。
在本发明中，这种组合有利于扩大天线的阻抗带宽，同时更容易形成双频特性。在天线的正下方放置一个反射板，以达到使天线定向辐射、提高天线的增益的目的。
在本发明实施例中，如图2所示，双频接收天线的工作模式包括偶模工作模式和奇模工作模式；
偶模工作模式中，双频接收天线的辐射由微带辐射贴片1-5决定，槽型缝隙两边的电场方向相同，其电流流向相同；
奇模工作模式中，双频接收天线的辐射由带有槽形缝隙的接地板决定，槽形缝隙的电场方向相反，其电流流向相反。
在本发明中，偶模工作模式的电流集中在微带线附近，因此也将偶模称为准微带模式。奇模工作模式中，天线的电流很大程度集中在缝隙附近，并呈现与缝隙形状相似的分布，因此也将其称为准缝隙模式。本发明就是利用这两种工作模式，使天线同时工作在WLAN的2.4GHz频段和5.8GHz频段。
在本发明实施例中，如图4所示，下层电路板2的四角上均固定开设有第二通孔2-1；
尼龙支柱4的另一端穿设于第二通孔2-1。
在本发明实施例中，如图1所示，下层电路板2的长度为96mm，宽度为73mm，厚度为0.8mm，其材质为FR4板材；下层电路板2的正面固定铺设有铜。
在本发明中，下层电路板的正面全部覆铜，起到反射信号的作用，使天线有着更好的定向辐射性。
在本发明实施例中，如图1所示，空气层3的高度为18mm。
在本发明中，能够使得天线回波损耗在-10dB以下的频带范围更宽，效果更佳。
在本发明实施例中，如表1所示，为本天线的具体尺寸。
表1
参数 值 参数 值
L 64mm W<sub>c1</sub> 15.2mm
W 37mm W<sub>c2</sub> 3.8mm
L<sub>0</sub> 96mm L<sub>p1</sub> 13mm
W<sub>0</sub> 73mm L<sub>p2</sub> 12.8mm
h 18mm W<sub>p1</sub> 4.6mm
P<sub>x</sub> 3.7mm A 2.5mm
P<sub>y</sub> 18.5mm B 2mm
L<sub>c</sub> 40.6mm C 1.5mm
在本发明实施例中，如图5所示，图5为天线的回波损耗参数S11曲线，图中S11在-10dB以下的频段分别为2.07GHz-3.33GHz和5.16GHz-5.90GHz。因此可以计算，对于两个中心频点2.4GHz和5.8GHz而言，天线的绝对带宽分别为1260MHz和740MHz，相对带宽分别为52.5％和12.8％。天线在2.4GHz处的回波损耗参数S11的值为-32dB，在5.8GHz处的值为-15dB。
在本发明实施例中，如图6所示，给出的是天线的增益随频率的变化曲线。可以看出，天线的增益始终大于7.5dBi。特别地，在WLAN的工作频段内，天线的增益可以保持在8.7dBi以上，具有较高的增益系数。
在本发明实施例中，如图7和图8所示，分别给出了天线在2.4GHz和5.8GHz频点处的三维辐射方向图。由图可以证明天线的辐射方向具有定向性，且增益处在一个较高的水平。
本发明的工作原理及过程为：天线上层电路板1的正面存在一对微带辐射贴片1-5，背面则在相应部位开有长度相同的缝隙结构，二者组成一对微带-缝隙辐射结构。这个微带-缝隙辐射结构激发了天线的两个工作模式，被称为偶模工作模式和奇模工作模式。偶模工作状态下天线的辐射情况主要由微带辐射贴片决定，缝隙两边的电场方向相同，电流流向相同，因此该工作模式被称为偶模。此时，电流集中在微带馈线1-4附近，因此也将偶模称为准微带模式。同样，在奇模工作状态下，天线的辐射情况主要由带有槽形缝隙的接地板决定，缝隙两边的电场方向相反，电流流向相反，因此该工作模式被称为奇模。此时，天线的电流很大程度集中在缝隙附近，并呈现与缝隙形状相似的分布，因此也将其称为准缝隙模式。本发明就是利用这两种工作模式，使天线同时工作在WLAN的2.4GHz频段和5.8GHz频段。
本发明的有益效果为：本发明设计了一种用于WLAN工作频段射频能量采集的接收天线，具有增益高、双宽频带和定向辐射的特点，用于接收来源方向明确的射频信号，为射频能量采集***的后续部分提供更高的输入，可以大大提升射频能量采集***的效率。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于射频能量采集的高增益定向辐射双频接收天线，其特征在于，包括上层电路板(1)、下层电路板(2)、空气层(3)和尼龙支柱(4)；
所述上层电路板(1)通过尼龙支柱(4)和下层电路板(2)固定连接；所述空气层(3)固定设置于上层电路板(1)和下层电路板(2)之间；
所述上层电路板(1)呈微带-缝隙辐射结构，用于激发双频接收天线的工作模式；所述下层电路板(2)呈发射结构，用于提高双频接收天线的增益系数和保证双频接收天线的定向辐射性；
所述上层电路板(1)包括基板(1-1)、矩形板(1-2)、第一通孔(1-3)；
所述矩形板(1-2)的一侧分别与基板(1-1)两侧的顶端和底端固定连接；所述通孔(1-3)固定开设于各个所述矩形板(1-2)的中心；所述尼龙支柱(4)的一端穿设于第一通孔(1-3)；
所述基板(1-1)包括微带馈线(1-4)、微带辐射贴片(1-5)和短路支节(1-6)，且所述基板(1-1)的底端中心固定设置有同轴馈电通孔(1-7)；所述微带馈线(1-4)呈L型；所述微带馈线(1-4)和同轴馈电通孔(1-7)固定连接；所述微带馈线(1-4)通过同轴馈电通孔(1-7)连接至微带辐射贴片(1-5)，且通过短路支节(1-6)终止；所述基板(1-1)的背面固定铺设有铜层，其中间固定开设有槽型缝隙；
所述双频接收天线的工作模式包括偶模工作模式和奇模工作模式；
所述偶模工作模式中，双频接收天线的辐射由微带辐射贴片(1-5)决定，所述槽型缝隙两边的电场方向相同，其电流流向相同；
所述奇模工作模式中，双频接收天线的辐射由带有槽形缝隙的接地板决定，所述槽形缝隙的电场方向相反，其电流流向相反。
2.根据权利要求1所述的用于射频能量采集的高增益定向辐射双频接收天线，其特征在于，所述上层电路板(1)覆盖无线局域网的2.4GHz频段和5.8GHz频段。
3.根据权利要求1所述的用于射频能量采集的高增益定向辐射双频接收天线，其特征在于，所述双频接收天线的工作频段为2.07GHz-3.33GHz和5.16GHz-5.90GHz，在工作频段内，增益系数最低为8.7dBi，最高为10dBi。
4.根据权利要求1所述的用于射频能量采集的高增益定向辐射双频接收天线，其特征在于，所述基板(1-1)的长度为63.9mm，宽度为37mm，厚度为0.8mm，其材质为FR4板材；所述矩形板(1-2)的长度为15mm，宽度为15mm，厚度为0.8mm。
5.根据权利要求1所述的用于射频能量采集的高增益定向辐射双频接收天线，其特征在于，所述下层电路板(2)的四角上均固定开设有第二通孔(2-1)；
所述尼龙支柱(4)的另一端穿设于第二通孔(2-1)。
6.根据权利要求1所述的用于射频能量采集的高增益定向辐射双频接收天线，其特征在于，所述下层电路板(2)的长度为96mm，宽度为73mm，厚度为0.8mm，其材质为FR4板材；所述下层电路板(2)的正面固定铺设有铜。
7.根据权利要求1所述的用于射频能量采集的高增益定向辐射双频接收天线，其特征在于，所述空气层(3)的高度为18mm。
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