一種嵌入功率合成器的電磁波能量收集陣列天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電磁波能量收集天線領(lǐng)域，特別地，涉及一種嵌入功率合成器的電磁波能量收集陣列天線。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，電磁波能量正從世界各地數(shù)千億的無線電發(fā)射器中發(fā)射而出，這些發(fā)射器包括移動電路、移動電話基站、電視/電臺信號發(fā)射基站、無線路由器等。另一方面，越來越大的微型或便攜式無線通信設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中，特別需要提出的是物聯(lián)網(wǎng)隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，越發(fā)受到重視與研宄，相關(guān)成果經(jīng)常被列于期刊雜志之上，顯示出蓬勃發(fā)展的勢頭。無線設(shè)備的主要能量供應(yīng)來源是電池，然而電池的使用給設(shè)備引入不小的體積；同時，電池的壽命有限，而傳感器種類繁多，更換電池的代價非常之昂貴，廢舊電池也容易引起環(huán)境污染。這就迫切要求人們研宄降低系統(tǒng)功耗，同時最好使系統(tǒng)能夠從周圍環(huán)境中收集能量以供應(yīng)自身持續(xù)工作。
[0003]隨著硅微電子技術(shù)的發(fā)展，微瓦級功耗的電子系統(tǒng)越來越多的被研發(fā)出來。這使得系統(tǒng)從周圍環(huán)境(光能、震動能、電磁波)收集能量以供自身工作成為可能。自供電(self-powering)、自充電(self-rechargeable)、免電池(battery-less)微系統(tǒng)，使得環(huán)境能量收集成為研宄前言和熱點(diǎn)。如前所述，空氣中大量充斥著各種各樣的電磁波能量。因而收集源源不斷的電磁波能量系統(tǒng)更受到人們的親睞。目前國內(nèi)外對于該領(lǐng)域的研宄正在如火如荼的進(jìn)行，并取得了豐碩的成果。
[0004]當(dāng)前電磁波能量收集系統(tǒng)主要包括:接收天線、匹配電路、倍壓整流電路。整流后的能量信號可以儲存在超級電容中，亦或直接給微型傳感器供電。應(yīng)用本發(fā)明的電磁波收集天線，系統(tǒng)可以簡化為:接收天線、倍壓整流電路。
[0005]電磁波能量收集天線的形式主要有三種:單級子天線、偶極子天線和微帶天線。微帶天線因其具有體積小、重量輕、接收面積大、極化方式靈活、方便組陣、易集成和易加工等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛用于電磁波能量收集天線的設(shè)計。由微帶輻射單元作為基本單元，其增益僅為6到8dB。為獲得高增益，通常是將這些微帶輻射單元組成微帶陣列。層疊結(jié)構(gòu)可以將天線尺寸縮短到原尺寸的一半，而獲得同樣的增益，比起排布于一個平面的面陣更受到人們的親睞。然而該結(jié)構(gòu)需要額外的阻抗匹配電路，使系統(tǒng)復(fù)雜化，尺寸也相應(yīng)變大。本專利在此背景下，著力于將功率合成器內(nèi)嵌于陣列天線之中，在不增加天線尺寸的情況下，完成功率合成的同時進(jìn)行電路阻抗匹配，從而避免引入額外的無源匹配電路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種自帶功率合成器的電磁波能量收集陣列天線，可收集空氣中的電磁波能量；在進(jìn)行功率合成的同時完成天線與后級電路的阻抗匹配。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0008]一種嵌入功率合成器的電磁波能量收集陣列天線，所述陣列天線中內(nèi)嵌功率合成器，且該功率合成器完成阻抗匹配；
[0009]所述陣列天線采用層疊結(jié)構(gòu)，分為五層，從上至下分依次為:第一層天線、第二層介質(zhì)層、第三層金屬層、第四層介質(zhì)層、第五層天線，所述第三層金屬層為公共參考地平面及倒“U”型耦合微帶線；
[0010]所述第一層天線的凹槽上連接有第一層天線饋電微帶線，作為功率合成器的第一耦合輸入端；所述第五層天線的凹槽上連接有第五層天線饋電微帶線，作為功率合成器的第二耦合輸入端；所述第三層金屬層的凹槽內(nèi)嵌有第三層倒“U”型耦合微帶線，該倒“U”型耦合微帶線一端懸空，另一端作為功率合成器的輸出端口 ；
[0011]所述第一層天線和第五層天線的頂端之間設(shè)有第一連接過孔，所述第一層天線饋電微帶線和第三層金屬層之間設(shè)有第二連接過孔，所述第一層天線饋電微帶線和第五層天線饋電微帶線之間設(shè)有第三連接過孔，所述第三層金屬層和第五層天線饋電微帶線之間設(shè)有第四連接過孔。
[0012]進(jìn)一步，所述第一層天線、第五層天線均為金屬層且結(jié)構(gòu)相同，在垂直方向上為重合的倒“U”型天線。
[0013]進(jìn)一步，所述第一層天線、第三層金屬層、第五層天線的凹槽均為倒“U”型凹槽。
[0014]進(jìn)一步，所述第一層天線饋電微帶線和第五層天線饋電微帶線位于凹槽兩側(cè)。
[0015]進(jìn)一步，所述金屬層的材質(zhì)為銅。
[0016]進(jìn)一步，所述介質(zhì)層為FR4層。
[0017]進(jìn)一步，所述金屬層的厚度為0.018mm，所述介質(zhì)層的厚度為0.7mm，所述陣列天線總厚度小于1.5mm。
[0018]進(jìn)一步，所述陣列天線工作頻率為2.45GHz，且等效輸出阻抗為50 Ω。
[0019]進(jìn)一步，所述第一層天線饋電微帶線和第五層天線饋電微帶線位于凹槽不同側(cè)。
[0020]本發(fā)明具有的有益效果是:主要應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)、RFID等低功耗電子設(shè)備的供電，以擺脫電池的束縛，降低成本、減小體積、便于攜帶，能適于大規(guī)模的應(yīng)用。除此之外，本發(fā)明還具有:
[0021]I)設(shè)計一種嵌入于陣列天線中的功率合成器，完成陣列天線的功率合成；
[0022]2)無需額外設(shè)計無源匹配電路，功率合成器直接實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，有效減小了能量收集裝置的尺寸。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的3D結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3為本發(fā)明的第一層金屬層示意圖；
[0026]圖4為本發(fā)明的第三層金屬層示意圖；
[0027]圖5為本發(fā)明的第五層金屬層示意圖；
[0028]圖6為本發(fā)明的材料層次圖。
[0029]圖中:1-第一層天線；2_第三層金屬層；3_第五層天線；4_第一層天線饋電微帶線；5_功率合成器輸出端；6_第五層天線饋電微帶線；7_第二連接過孔；8_第三連接過孔；9-第四連接過孔；10_第一連接過孔；11_第三層倒“U”型耦合微帶線。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0031]如圖1所示，本發(fā)明為一種嵌入功率合成器的電磁波能量收集陣列天線，兼有功率合成和阻抗匹配功能。圖中，I為第一層天線；2為第三層金屬層，構(gòu)成參考地平面及功率合成器輸出端；3為第五層天線；4為第一層天線饋電微帶線，同時作為功率合成器的第一耦合輸入端；5為功率合成器輸出端；6為第五層天線饋電微帶線，同時作為功率耦合器的第二耦合輸入端；7為第二連接過孔，將第一層饋電微帶線和第三層參考地平面連接；8為第三連接過孔，將第一層饋電微帶線和第五層饋電微帶線連接；9為第四連接過孔，將