[實(shí)用新型]一種混合壓電材料的能量收集天線

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201420537536.2
• 申請日: 2014-09-18
• 公開（公告）號: CN204271244U
• 公開（公告）日: 2015-04-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐雷鈞;王昌碩;潘天紅;白雪
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類號: H01Q1/36
• 分類號: H01Q1/36;H02N2/18
• 代理公司: 江蘇縱聯(lián)律師事務(wù)所 32253
• 代理人: 蔡棟

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于環(huán)境能量采集領(lǐng)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(yīng)用于無線傳感器節(jié)點(diǎn)和其他低功耗電子設(shè)備的能量供給。

背景技術(shù)

射頻電磁波能量和機(jī)械振動能量是兩種普遍存在的環(huán)境能量資源。機(jī)械振動能量收集有壓電式、靜電式和電磁感應(yīng)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(shù)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(jié)構(gòu)簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾、無污染、壽命幾乎無限、易于加工制作和實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的微小化等眾多優(yōu)勢。并且成本低，沒有布線麻煩等諸多優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)、介電常數(shù)高、可以加工成任意形狀，但是直接作為PCB板的介質(zhì)材料使用時(shí)，其介電常數(shù)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(shí)驗(yàn)室完成了交流到直流的輸能系統(tǒng)試驗(yàn)，試驗(yàn)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(xué)者Young‐Ho?Suh和臺灣學(xué)者Kai?Chang設(shè)計(jì)一種用于無線能量傳輸?shù)母咝щp頻整流天線，設(shè)計(jì)頻段為2.45GHz和5.8GHz。

由于射頻能量幾乎不受環(huán)境和時(shí)間因素的限制，能夠持續(xù)不間斷提供能量。近年來，隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們生活周圍環(huán)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(wǎng)(WiFi)、工業(yè)通訊(ISM)頻段和手機(jī)基站(GSM)，其中手機(jī)基站24小時(shí)不間斷輻射著電磁波，幾乎可以看作一個(gè)穩(wěn)定的信號源。而整流天線是其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，整流天線由射頻能量收集天線、低通濾波器、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和整流電路等部分組成，它通過接收環(huán)境中的電磁波，將接收到的電磁波轉(zhuǎn)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(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛用于整流天線中射頻能量收集天線的設(shè)計(jì)。

由于單一的環(huán)境能量是有限的，比如單一的射頻電磁波能量或者機(jī)械振動能量常常滿足不了無線電子設(shè)備的供能需求；另外考慮到環(huán)境的多樣性，工作在電磁波信號較差的地區(qū)，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(tǒng)為無線電子設(shè)備提供能源。本實(shí)用新型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(shí)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(shè)備在多種環(huán)境中工作時(shí)的供能問題。

發(fā)明內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的在于提供一種混合壓電材料的能量收集天線，可同時(shí)收集振動能量和射頻電磁波能量，可應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)、RFID等低功耗電子設(shè)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(guī)模的應(yīng)用。

為了解決以上技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的具體技術(shù)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(jié)構(gòu)，從上到下一共5層；第1層、第3層、第5層均為金屬層，同時(shí)構(gòu)成壓電振動串聯(lián)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(jié)合的方法，第1層采用同軸饋電，第3層采用耦合饋電；

第2層、第4層均為介質(zhì)層；所述介質(zhì)層包括BNT壓電陶瓷層和環(huán)氧玻璃纖維層，介質(zhì)層的外圈為BNT壓電陶瓷層，介質(zhì)層的中心為環(huán)氧玻璃纖維層。

所述第1層與所述第2層和所述第3層構(gòu)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(jié)構(gòu)，在所述第1層的矩形貼片結(jié)構(gòu)邊緣增加小矩形枝節(jié)，以進(jìn)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(gòu)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(gè)環(huán)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。

本實(shí)用新型的工作過程如下：