[發明專利]一種混合壓電材料的能量收集天線

有效

• 申請號: 201410477715.6
• 申請日: 2014-09-18
• 公開（公告）號: CN104218308A
• 公開（公告）日: 2014-12-17
• 發明（設計）人: 徐雷鈞;王昌碩;潘天紅;白雪
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H01Q1/36
• 分類號: H01Q1/36;H02N2/18
• 代理公司: 江蘇縱聯律師事務所 32253
• 代理人: 蔡棟

技術領域

本發明屬于環境能量采集領域，具體涉及一種壓電式振動與射頻電磁波能量收集天線，可應用于無線傳感器節點和其他低功耗電子設備的能量供給。

背景技術

射頻電磁波能量和機械振動能量是兩種普遍存在的環境能量資源。機械振動能量收集有壓電式、靜電式和電磁感應式三種工作方式，這三種方式都能得到微瓦到毫瓦的能量輸出。但是，壓電式能量收集器可與MEMS技術很好地集成,而且具有能量輸出密度大、無須啟動電源、能量采集裝置結構簡單、不發熱、無電磁干擾、無污染、壽命幾乎無限、易于加工制作和實現機構的微小化等眾多優勢。并且成本低，沒有布線麻煩等諸多優點因此備受人們歡迎。壓電陶瓷屬于壓電材料的一種，與其他壓電材料相比較而言，壓電陶瓷壓電性強、介電常數高、可以加工成任意形狀，但是直接作為PCB板的介質材料使用時，其介電常數偏高。

近年來，射頻無線輸能越來越受到人們的重視。早在1975年Brown?W.C.在實驗室完成了交流到直流的輸能系統試驗，試驗用的射頻能量收集天線是利用鋁條做成半波偶極子天線組成，在工作頻率為2.45GHz獲得了54%的整流效率。2002年韓國學者Young-Ho?Suh和臺灣學者Kai?Chang?設計一種用于無線能量傳輸的高效雙頻整流天線，設計頻段為2.45GHz和5.8GHz。

由于射頻能量幾乎不受環境和時間因素的限制，能夠持續不間斷提供能量。近年來，隨著通信技術的迅速發展，人們生活周圍環境中充斥著大量的無線電波信號，一些重要的射頻信號源包括無線局域網（WiFi）、工業通訊（ISM）頻段和手機基站(GSM)，其中手機基站24小時不間斷輻射著電磁波，幾乎可以看作一個穩定的信號源。而整流天線是其中一項關鍵技術，整流天線由射頻能量收集天線、低通濾波器、阻抗匹配網絡和整流電路等部分組成，它通過接收環境中的電磁波，將接收到的電磁波轉換成直流電能輸出。目前，整流天線中射頻能量收集天線的形式主要有單級子天線、偶極子天線和微帶天線3種形式。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點，近年來被廣泛用于整流天線中射頻能量收集天線的設計。

由于單一的環境能量是有限的，比如單一的射頻電磁波能量或者機械振動能量常常滿足不了無線電子設備的供能需求；另外考慮到環境的多樣性，工作在電磁波信號較差的地區，射頻能量收集天線采集到的射頻能量將大大降低，所以需要采用混合能量收集系統為無線電子設備提供能源。本發明將壓電式振動能量收集器和射頻能量收集天線做在一起，使兩種采集能量的模塊可以同時工作也可以單一工作，兩種能量采集不會相互干擾。有效的解決了低功耗無線電子設備在多種環境中工作時的供能問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種混合壓電材料能量收集天線，可同時收集振動能量和射頻電磁波能量，可應用于無線傳感網絡、RFID等低功耗電子設備的供能，以擺脫電池的束縛，降低成本、減小體積、便于攜帶，能適于大規模的應用。

為了解決以上技術問題，本發明采用的具體技術方案如下：

一種混合壓電材料能量收集天線，其特征在于：兼有射頻能量收集天線和壓電式振動能量收集器的功能,采用層疊結構，從上到下一共5層；第1層、第3層、第5層均為金屬層，同時構成壓電振動串聯極板和天線的金屬部分；所述射頻能量收集天線饋電采用單饋和耦合饋電結合的方法，第1層采用同軸饋電，第3層采用耦合饋電；?

所述第2層、第4層均為介質層；所述介質層包括A層和B層，即介質材料采用A層材料和B層材料的混合材料，介質層的外圈為A層材料，介質層的中心采用B層材料。

所述第1層與所述第2層和所述第3層構成天線A；第3層作為天線A的參考地極板，天線A的第1層為矩形貼片結構，在所述第1層的矩形貼片結構邊緣增加小矩形枝節，以進一步減小整體天線的尺寸；所述天線A的工作頻率在2.45GHz。

所述的第3層與所述第4層和所述第5層構成天線B；，所述第5層作為天線B的參考地極板；在所述第3層表面開一個環形槽，以拓寬整體天線的帶寬；所述天線B的工作頻率在1.9GHz。

所述的A層材料為介電常數高的BNT壓電陶瓷，所述的B層材料為介電常數低的環氧玻璃纖維，所述的混合材料為混合壓電材料。

所述的一種混合壓電材料能量收集天線，其特征在于：所述的第3層金屬既作為天線A的參考地極板，又作為天線B的輻射貼片層。

本發明的工作過程如下：