一种同时用于无线能量传输和无线通信的惠更斯元电小天线

技术领域

本发明涉及天线领域，特别是指一种同时用于无线能量传输和无线通信的惠更斯元电小天线。

背景技术

随着无线传感器、物联网等概念的提出，人们对无线设备的需求越来越迫切，无线设备有其独特的优势，如在无电力供给的环境中可以正常工作、在潮湿的环境中不用担心电气连接引发事故。因而，电子设备无线化是一个重要的发展方向和发展趋势，实现电子设备的无线化通常需要克服三个问题：一是能源，能源保障设备正常工作；二是通信，通信实现设备之间的进行信息交换，三是小型化和低剖面，小型化和低剖面方便电子设备的安装和使用。

电子设备无线化需要克服的三个问题都与天线密切相关，整流天线可以将环境中的电磁能量转换成直流电能，以供设备使用。通信天线用于实现通信信号的发射和接收，完成设备信息交互。天线尺寸的小型化和多功能，有助于电子设备实现小型化。现有天线剖面高、结构复杂、功能单一、尺寸大，还不能满足未来电子设备对天线的要求。

亟待出现一种可解决上述问题的新型无线化的电子设备。

发明内容

本发明提出一种同时用于无线能量传输和无线通信的惠更斯元电小天线，解决了现有技术中电子设备对天线要求的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种同时用于无线能量传输和无线通信的惠更斯元电小天线，包括两层紧贴在一起的介质基板；贴设于所述上层介质基板的上表面的谐振环整流天线；贴设于所述下层介质基板的下表面的电偶极子通信天线及其馈线；贴设于所述上层介质基板的下表面的隔离微带。

可选地，所述谐振环整流天线包括谐振环天线和整流电路；其中谐振环天线包括两个对称的开口环，两个开口环中间有一间隙；整流电路设置于其中一个开口环中。

可选地，所述谐振环天线中的两个开口环为矩形结构；开口位置为两个环相邻边的中心位置，开口长度为0.5-2mm，距离开口0.5-1.5mm的位置；两端存在梳状结构，梳状结构的长度为2-6mm；开口环长边是其短边的1-1.5倍；长边、短边和开口环所在边的宽度均不超过3mm，长边的长度大于8mm，短边尺寸大于6mm。

可选地，所述整流电路通过在一对平行微带线上通过焊接的方式加载整流二极管、滤波电容和负载；其中，整流二级管焊接于平行微带线的起端，滤波电容和直流负载均焊接于平行微带线的后半部分，平行微带线的宽度和间距均为1mm左右。

可选地，所述的电偶极子通信天线为末端弯折的电偶极子通信天线，在电偶极子通信天线同一平面上放置馈线；所述馈线从电偶极子的中心位置延伸至介质基板的边缘。

具体地，所述电偶极子通信天线的长度为28-32mm，宽度为1-2mm；电偶极子通信天线末端以圆弧的形式向两边对称弯折，弯折的半径为8-12mm，弯折角度为60-100°，圆弧的宽度为1-4mm。

优选地，所述馈线是一对平行微带线，宽度为1-2mm，间距为0.4-1.5mm，距离介质基板边缘2-4mm的馈线处为梳状结构，梳状结构的长度为5-12mm。

具体地，所述隔离微带与电偶极子通信天线的馈线相平行，位于馈线的正上方，隔离微带从介质基板的一侧一直延伸至另一侧；隔离微带由一排矩形微带片组成，矩形微带片长度为1 mm至6mm，宽度为0.3mm至3mm，间距为0.5-2mm。

优选地，两层介质基板的尺寸和厚度均一致，长度为26 mm至32mm，宽度为20 mm至28mm，厚度为0.5mm至2mm。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益技术效果：。

1）电偶极子通信天线和谐振环天线两个天线等幅且同相激励时，可以实现低剖面的电小惠更斯元天线，天线的电尺寸ka＝0.99，剖面高度仅为2.6％λ

2）谐振环天线和整流电路相连接形成整流天线，在输入了0dBm时，整流天线的整流效率为76.5%；

3）惠更斯元电小天线整体结构具有多功能、小型化、低剖面和易于制造等优势。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述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。

图1为本发明同时用于无线能量传输和无线通信的惠更斯元电小天线整体结构的分层视图；

图2为本发明同时用于无线能量传输和无线通信的惠更斯元电小天线整体结构的侧视图；

图3为本发明同时用于无线能量传输和无线通信的惠更斯元电小天线中谐振环整流天线的俯视图；

图4为本发明同时用于无线能量传输和无线通信的惠更斯元电小天线中电偶极子通信天线的俯视图；

图5为本发明同时用于无线能量传输和无线通信的惠更斯元电小天线中隔离微带的俯视图；

图6为本发明同时用于无线能量传输和无线通信的惠更斯元电小天线中电偶极子通信天线和谐振环天线等幅同相激励时的S参数曲线图；

图7为本发明同时用于无线能量传输和无线通信的惠更斯元电小天线中电偶极子通信天线和谐振环天线等幅同相激励时的E平面、H平面的辐射场方向图；

图8为本发明同时用于无线能量传输和无线通信的惠更斯元电小天线中电偶极子通信天线单独激励时的E平面、H平面的辐射场方向图；

图9为本发明同时用于无线能量传输和无线通信的惠更斯元电小天线中谐振环天线单独激励时的E平面、H平面的辐射场方向图；

图10为本发明同时用于无线能量传输和无线通信的惠更斯元电小天线中谐振环整流天线的转换效率曲线；

图中：1-上层介质基板；2-下层介质基板2；3-谐振环天线；4-裂口；5-梳状结构1；6-整流电路；7-隔离微带；8-电偶极子通信天线；9-弧形段；10-馈线；11-梳妆结构2。

具体实施方式

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作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。

本发明公开的一种同时用于无线能量传输和无线通信的惠更斯元电小天线，如图1和图2所示，图1是根据一示例性实施例示出的一种同时用于无线能量传输和无线通信的惠更斯元电小天线的结构示意图，包括两层紧贴在一起的介质基板；贴设于所述上层介质基板1的上表面的谐振环整流天线；贴设于所述下层介质基板2的下表面的电偶极子通信天线8及其馈线10；贴设于所述上层介质基板1的下表面的隔离微带7。

如图3所示，所述谐振环整流天线包括谐振环天线3和整流电路6；其中谐振环天线3包括两个对称的开口环，两个开口环中间有一间隙；整流电路6设置于其中一个开口环中。所述谐振环天线3中的两个开口环为矩形结构；开口位置为两个环相邻边的中心位置，开口长度为0.5-2mm，距离开口0.5-1.5mm的位置，长边、短边和开口环所在边的宽度均不超过3mm，长边的长度大于8mm，短边长度大于6mm。两端存在梳状结构1 5，梳状结构1 5的长度为4.01mm；开口环长边是其短边的1.22倍，长边和短边的线宽分别为1.8mm和1.35mm，开口环所在边的宽度为0.8mm，长边的长度为13.3mm，短边长度为11.1mm。

可选地，所述整流电路6采用平衡馈电，通过在一对平行微带线上通过焊接的方式加载整流二极管、滤波电容和负载，实现将微波能量转换为直流能量；其中，整流二级管焊接于平行微带线的起端，滤波电容和直流负载均焊接于平行微带线的后半部分，平行微带线的宽度和间距均为1mm左右。整流二级管选择为HSMS286B肖特基二级管，焊接于开口环之中，滤波电容选择为村田电容，型号为GCM2165C2A101JA16，距离整流二级管9.5mm，直流负载距离整流二级管10.05mm。

如图4所示，所述的电偶极子通信天线8为末端弯折的电偶极子通信天线8用以降低电偶极子通信天线8的尺寸，在电偶极子通信天线8同一平面上放置馈线10以激励电偶极子通信天线8；所述馈线10从电偶极子的中心位置延伸至介质基板的边缘。所述电偶极子通信天线8的长度为28-32mm，宽度为1-2mm；电偶极子通信天线8末端以圆弧的形式向两边对称弯折，弯折的半径为8-12mm，弯折角度为60-100°，圆弧的宽度为1-4mm。所述馈线10是一对平行微带线，宽度为1-2mm，间距为0.4-1.5mm，距离介质基板边缘2-4mm的馈线10处为梳状结构2 11，梳状结构2 11的长度为5-12mm。优选地，电偶极子的长度为，30mm，宽度为1.28mm；电偶极子末端以圆弧的形式向两边对称弯折，弯折的半径为10.22mm，弯折角度为88.9°，圆弧的宽度为2.74mm。平行微带馈线10的宽度为1.5mm，间距为0.5mm，在距离边缘3mm的馈线10处增加梳状结构2 11，梳状结构2 11的长度为9.41mm。

如图5所示，所述隔离微带7与电偶极子通信天线8的馈线10相平行，位于馈线10的正上方，隔离微带7从介质基板的一侧一直延伸至另一侧；隔离微带7由一排矩形微带片组成，矩形微带片长度为1 mm至6mm，宽度为0.3mm至3mm，间距为0.5-2mm。优选地，隔离微带7中矩形微带片长度为4.5mm，宽度为2.25mm，间距为0.75mm。

优选地，如图2所示，两层介质基板的尺寸和厚度均一致，长度为26 mm至32mm，宽度为20 mm至28mm，厚度为0.5mm至2mm。可选地，所述介质基板长度为30mm，宽度为24mm。所述介质基板2的材料可以选用The Rogers Duroid 5880，即罗杰斯5880 ，相对介电常数为2.2，相对磁导率为1.0，损耗角正切为0 .0009。

优选地初始设计之后，使用高频电磁仿真软件HFSS进行仿真分析，经过仿真优化之后得到各项参数尺寸如下表所示：

表1本公开各参数最佳尺寸表

依照上述参数，使用HFSS对所设计的应用于无线功率传输系统的端射低剖面惠更斯源天线的反射系数|S11|特性参数进行仿真分析，其分析结果如下：

图6为本发明中谐振环天线3和电偶极子通信天线8等幅同相激励时仿真得到的S参数随频率变化的曲线图。如图6所示，谐振环天线3和电偶极子通信天线8的谐振频点均为2.45GHz，反射损耗值分别为-16.2 dB和-21.7dB，-10dB带宽分别为15MHz和48MHz，两个天线的隔离度大于25dB；

图7为谐振环天线3和电偶极子通信天线8等幅同相激励时在谐振频点2.45GHz处E面和H面的方向图。从图7中可以看出，天线在E面、H面均具有朝天线正上方的辐射方向；在谐振频点处，天线的最大增益值为4.45dBi，前后比大于23dB，辐射效率为97％；可见天线有着良好的辐射性能，同时有着低剖面且结构紧凑的特点。

图8为谐振环天线3单独激励时在谐振频点2.45GHz处E面和H面的方向图，从图8中可以看出，它可以近似等效为一个垂直于谐振环天线3平面磁偶极子天线的方向图。

图9为电偶极子通信天线8单独激励时在谐振频点2.45GHz处E面和H面的方向图，从图9中可以看出，它接近于一个理想电偶极子通信天线8的方向图。

图10为谐振环整流天线在谐振频点2.45GHz、输入功率为0dBm时，整流天线转换效率随直流负载大小的变化。

当然，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员应该可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。