一种适用于手机和wifi的射频电磁波能量收集阵列魔方

摘要

本发明公开了一种适用于手机和wifi的射频电磁波能量收集阵列魔方，该装置的四个侧面由四个阵列天线贴片围成，装置的顶面为能量回收板；所述阵列天线贴片为带有空气层介质层的环形阵列天线，由2*2个环形阵列元构成，采用微带线馈电，每个阵元开两对对称的C型环是为了实现双频化用于收集环境中1.9GHz和2.4GHz。该天线设置成带空气介质层的天线的目的是降低介质层的整体介电常数从而达到宽频化，宽频可使得接受的电磁波的频段更宽，收集到的射频能量越多。当本发明的能量魔方处于外开放式时，可收集周围环境中的电磁波能量。当本发明的能量魔方处于内封闭式的时，不但可以屏蔽手机辐射对人体的伤害，而且可以收集手机的辐射能量。

权利要求

1.一种适用于手机和wifi的射频电磁波能量收集阵列魔方，其特征在于，该装置的四个侧面由四个阵列天线贴片围成，装置的顶面为能量回收板；所述四个阵列天线贴片朝外放置时能够构成一个外开放式的能量魔方，用于收集周围环境中的射频能量；当把四个阵列天线贴片朝内放置时能够构成一个内封闭式的能量魔方，用于收集封闭区域内的射频能量；

所述阵列天线贴片包括两层第一介质(1)，所述两层第一介质(1)之间用第二介质(2)隔开，所述第一层第一介质(1)的一侧表面贴有四个由环形金属片组成的阵列天线的阵元(3)，所述阵列天线的阵元(3)上挖去两对C型环，所述两对C型环弧形口两两相对，分别为第一对C型环(4)，第二对C型环(5)，所述第一对C型环(4)包裹第二对C型环(5)，且两对C型环弧形缺口的中心在空间上互差90度，四个由环形金属片组成的阵列天线的阵元(3)的输入端口用金属互连线连接，所述金属互连线的中心输出端和阵列天线的馈线(6)相连，所述阵列天线的馈线(6)输出和SMA接口相连；所述第二层第一介质(1)的一侧表面贴有金属薄片，且该金属薄片作为接地板；

所述能量回收板所在底板的四个边均贴装有能量管理电路，能量管理电路的输入端与SMA接口相连，能量管理电路的输出端均与能量回收板的中心输出端口相连，能量回收板的中心输出端口与负载相连。

2.根据权利要求1所述的适用于手机和wifi的射频电磁波能量收集阵列魔方，其特征在于，所述金属薄片为铜片，厚度为0.018mm。

3.根据权利要求1所述的适用于手机和wifi的射频电磁波能量收集阵列魔方，其特征在于，所述金属互连线的宽度为2mm，所述阵列天线的馈线(6)的宽度为4mm，所述金属互连线和阵列天线的馈线(6)的材质为铜。

4.根据权利要求1所述的适用于手机和wifi的射频电磁波能量收集阵列魔方，其特征在于，所述第一介质(1)为FR4板，厚度为1.6mm；所述第二介质(2)为空气层，厚度为7mm。

5.根据权利要求1所述的适用于手机和wifi的射频电磁波能量收集阵列魔方，其特征在于，所述阵列天线的阵元(3)为铜片，阵列天线的阵元(3)的外圆周到第一介质(1)边缘的最近距离为24.7mm，所述第一对C型环(4)的半径为15mm，所述第二对C型环(5)的半径为

12mm，所述第一对C型环(4)的缺口的最近距离为4mm，所述第二对C型环(5)的缺口的最近距离为6mm，所述两对C型环的厚度为1mm。

说明书

一种适用于手机和wifi的射频电磁波能量收集阵列魔方

技术领域

[0001] 本发明属于电磁波能量收集天线领域，涉及到一种多频，宽频阵列天线的设计及一种宽频匹配电路和整流储能电路的设计。

背景技术

[0002] 随着电子技术的高速发展，各种无线电子产品充斥在人们的生产生活中。除了日常生活中广泛使用的无线钥匙、蓝牙耳机、手机等，在工业领域，大量的无线传感节点分布
在各种环境中，实时地传输监测数据，方便工业控制及生产；在一些特殊环境中，如高辐射、
高温、高空、高寒地区，不方便人类直接进行监测，可以通过安装无线传感器完成监测和实
时传输；尤其在农业应用领域，近年来，农业物联网技术得到了快速发展。在种植、畜牧、水
产养殖、农产品加工与运输等领域，通过其感知层的无线传感器节点采集土壤、鱼塘、植物
等农业对象的信息并传回，方便对信息进行处理和决策。可见，各种无线电子产品给我们的
生活提供了很大便利，无线传感网络使现代化工农业生产发展进入了新阶段。但是，电子设
备及无线传感节点的可靠持续供电问题越来越成为人们关注的焦点。对于一些常用的电子
产品，如蓝牙耳机、无线钥匙、温湿度传感器等，电池更换比较方便；但对于物联网中规模和
数量庞大的传感节点，人力进行电池更换将费时费力。尤其工作在特殊环境中的电子设备，
对其进行电池更换不但麻烦而且危险，并且，随着无线电子设备的微型化设计，电池的更换
越来越不方便，同时，更换的废旧电池，还会增加环境污染。因此，发展绿色环保免维护的新
型供电方式符合当前无线传感器长期可靠供电的迫切需求，同时对降低人力成本、提高社
会经济效益具有重要的实际意义。

[0003] 随着微电子技术与集成电路(Integrated Circuit，IC)制造工艺的发展，芯片的尺寸越来越小，集成电路的功耗不断降低，无线传感器节点功耗已经达到微瓦级。另一方
面，周围环境中存在着各种能量，如丰富的射频能、太阳能、风能和振动能等，如将这些能量
有效收集并转化应用，就可以成为无线传感器的新型供电方式，取代额外的普通电池供电。
在当前各种无线设备普及的社会，射频电磁波能量普遍存在于我们周围环境中。射频能量
存在于周围环境中的普遍性以及射频能量收集的便利性和可行性，使其在低功耗自供电系
统中的应用具有广阔前景。近些年，基于无线能量传输理论的射频能量收集技术越来越多
地应用于低功耗的电子设备，如无线传感器网络、电子医疗设备、RFID等低功耗的电子设
备。射频能量收集主要通过整流天线、能量管理等模块实现。其中，整流天线部分最为关键。
而在关于整流天线的研究中，微带天线因其重量轻、成本低、体积小、结构简单、方便制作及
系统化设计，易于批量生产等优势得到越来越多的关注。因此高性能微带天线的研究与设
计对整流天线乃至射频能量收集系统研究具有重要意义。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种手机和wifi的射频能量收集装置。主要应用于无线传感网络、RFID等低功耗电子设备的供电，以摆脱电池的束缚，降低成本、减小体积、便于携
带，能适于大规模的应用。

[0005] 本发明的技术方案为：一种适用于手机和wifi的射频电磁波能量收集阵列魔方，该装置的四个侧面由四个阵列天线贴片围成，装置的顶面为能量回收板；所述四个阵列天
线贴片朝外放置时能够构成一个外开放式的能量魔方，用于收集周围环境中的射频能量；
当把四个阵列天线贴片朝内放置时能够构成一个内封闭式的能量魔方，用于收集封闭区域
内的射频能量；

[0006] 所述阵列天线贴片包括两层第一介质，所述两层第一介质之间用第二介质隔开，所述第一层第一介质的一侧表面贴有四个由环形金属片组成的阵列天线的阵元，所述阵列
天线的阵元上挖去两对C型环，所述两对C型环弧形口两两相对，分别为第一对C型环，第二
对C型环，所述第一对C型环包裹第二对C型环，且两对C型环弧形缺口的中心在空间上互差
90度，所述四个阵列天线的阵元的输入端口用金属互连线连接，所述金属互连线的中心输
出端和阵列天线的馈线相连，所述阵列天线的馈线输出和SMA接口相连；所述第二层第一介
质的一侧表面贴有金属薄片，且该金属薄片作为接地板；

[0007] 所述能量回收板所在底板的四个边均贴装有能量管理电路，能量管理电路的输入端与SMA接口相连，能量管理电路的输出端均与能量回收板的中心输出端口相连，能量回收
板的中心输出端口与负载相连。

[0008] 进一步，所述金属薄片为铜片，厚度为0.018mm。

[0009] 进一步，所述金属互连线的宽度为2mm，所述阵列天线的馈线的宽度为4mm，所述金属互连线和阵列天线的馈线的材质为铜。

[0010] 进一步，所述第一介质为FR4板，厚度为1.6mm；所述第二介质为空气层，厚度为7mm。

[0011] 进一步，所述阵列天线的阵元为铜片，阵列天线的阵元的外圆周到第一介质边缘的最近距离为24.7mm，所述第一对C型环的半径为15mm，所述第二对C型环的半径为12mm，所
述第一对C型环的缺口的最近距离为4mm，所述第二对C型环的缺口的最近距离为6mm，所述
两对C型环的厚度为1mm。

[0012] 进一步，所述两层第一介质的四个边角用塑料螺丝固定，所述四个阵列天线贴片之间能够粘接在一起。

[0013] 本发明的技术效果为：

[0014] 1)带空气介质层的环形阵列天线可实现双频化，可收集1.9GHz和2.4GHz的射频能，即该天线可同时收集环境中的手机和wifi的射频能量。同时该天线实行了宽频化，使得
可收集的电磁波频段更广，以及该天线设置成阵列天线可更多的收集射频能量。

[0015] 2)该装置的底板的匹配电路实现了宽频上的匹配，且整个地板可达到能量整合的作用。同时本发明的魔方可有两种形态，外开放式形态和内封闭式形态，当本发明的能量魔
方处于外开放式时，可收集周围环境中的电磁波能量。当本发明的能量魔方处于内封闭式
的时，不但可以屏蔽手机辐射对人体的伤害，而且可以收集手机的辐射能量。

附图说明

[0016] 图1为本发明的阵列天线贴片的结构示意图；

[0017] 图2为本发明中阵列天线贴片的俯视图；

[0018] 图3为本发明阵列天线贴片朝外的能量魔方示意图；

[0019] 图4为本发明阵列天线贴片朝内的能量魔方示意图。

[0020] 图中：1为第一介质；2为空气作为第二介质；3为阵列天线的阵元；4为第一对C型环；5为第二对C型环；6为阵列天线的馈线；7为接地板。

具体实施方式

[0021] 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。

[0022] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对
本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明“多个”的含
义是两个或两个以上。

[0023] 如图3(或图4)所示，一种手机和wifi的射频能量收集装置，该装置为魔方结构，装置的四个侧面由四个阵列天线贴片围成，装置的顶面为能量回收板。所述能量回收板所在
底板的四个边均贴装有能量管理电路，能量管理电路的输入端与SMA接口相连，能量管理电
路的输出端均与能量回收板的中心输出端口相连，能量回收板的中心输出端口与负载相
连。

[0024] 如图1-2所示，所述阵列天线贴片包括两层第一介质1，所述两层第一介质1之间用第二介质2隔开，所述顶层第一介质1的上表面贴有四个由环形金属片组成的阵列天线的阵
元3，所述阵列天线的阵元3上抠去两对C型环，所述两对C型环弧形口两两相对，分别为第一
对C型环4，第二对C型环5，所述第一对C型环4包裹第二对C型环5，且两对C型环弧形缺口的
中心在空间上互差90度，所述四个阵列天线的阵元3的输入端口用金属互连线连接，所述金
属互连线的中心输出端和阵列天线的馈线6相连，所述阵列天线的馈线6输出和SMA接口相
连；所述第二层第一介质1的下表面贴有一层金属薄片，且该金属薄片作为接地板7。

[0025] 所述两层第一介质1的四个边角用塑料螺丝固定，所述四个阵列天线贴片之间能够粘接在一起。

[0026] 如图3-4所示，本发明为一种手机和wifi的射频能量收集装置。该装置由两部分组成，下部为四个完全一样的带有空气介质层的环形阵列天线贴片，用于收集手机信号射频
能和WiFi射频能。上部是一个能量回收板，能量回收板的底板上设有四个能量管理电路，该
能量管理电路包括π型阻抗匹配电路和整流储能电路(普通的二倍压整流电路)，所述π型阻
抗匹配电路和整流储能电路相连接，先匹配后整流，然后把直流电储存在一个电容里面，用
于将天线收集到的射频能转化为直流电能储存起来，进而给负载供电，同时可起到一个能
量整合的作用。

[0027] 在本实施例中，带有第二介质2的空气层介质的阵列天线贴片由2*2个环形阵列天线的阵元3构成，采用阵列天线的馈线6馈电。第二介质2的空气层的目的是为了达到宽频化
的效果。两对对称的C型环的设计是为了达到双频化的目的。为了使得两个天线分别工作于
1.9GHz和2.45GHz，我们采用ANSYS公司的HFSS仿真软件进行优化设计，从而获得最佳的电
磁波能量收集天线的物理尺寸：上述金属薄片为铜片，厚度为0.018mm；所述金属互连线的
宽度为2mm，所述阵列天线的馈线6的宽度为4mm，所述金属互连线和阵列天线的馈线6的材
质为铜；所述第一介质为FR4板，厚度为1.6mm；所述第二介质2为空气层，厚度为7mm；所述阵
列天线的阵元3为铜片，其外圆周到第一介质1边缘的最近距离为24.7mm，所述第一对C型环
4的半径为15mm，所述第二对C型环5的半径为12mm，所述第一对C型环4的缺口的最近距离为
4mm，所述第二对C型环5的缺口的最近距离为6mm，所述两对C型环的厚度为1mm。

[0028] 此外，将两个阵列天线贴片朝内相对放置，能量管理电路制作在天线的背面，能够大幅度缩小尺寸，构成便携式的射频电磁波能量收集装置。

[0029] 总的来说本发明装置的优越性在于：带空气介质层的环形阵列天线可实现双频化，可收集1.9GHz和2.4GHz的射频能，即该天线可同时收集环境中的手机和wifi的射频能
量。同时该天线实行了宽频化，使得可收集的电磁波频段更广，以及该天线设置成阵列天线
可更多的收集射频能量。该装置的地板的匹配电路实现了宽频上的匹配，且整个地板可达
到能量整合的作用。

[0030] 本发明的工作过程如下：

[0031] 本发明的整体结构由四个完全一样的带有空气介质层的环形阵列天线贴片及一个能量回收板构成。带有空气层介质层的环形阵列天线贴片由2*2个环形阵列元构成，采用
微带线馈电。为了使得两个天线分别工作于1.9GHz和2.45GHz，我们采用ANSYS公司的HFSS
仿真软件进行优化设计。所述能量回收板所在底板的四个边均贴装有能量管理电路，每个
带有空气介质层的阵列天线贴片与能量管理电路通过SMA接口连接，从而可使该阵列天线
收集到的射频能量通过匹配电路，整流电路后变成直流电能储存起来，四个电路储存的能
量整合后给负载供电，整个底板可达到能量整合的作用。该装置的匹配电路是π型阻抗匹配
电路，可在宽频内实现匹配，从而可使天线收集到的射频能量更多地到达整流电路。当把四
个阵列天线贴片朝外时可构成一个外开放式的能量魔方，可用于收集周围环境中的射频能
量。当把四个阵列天线贴片朝内时可构成一个内封闭式的能量魔方，手机放到该内封闭式
魔方的内部，该能量魔方可屏蔽手机的辐射减少手机辐射对人体的伤害而且可以把手机辐
射的电磁波收集利用起来。

[0032] 以上对本发明所提供的一种手机和wifi的射频能量收集装置并对此进行了详细介绍，本文应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，所要说明的是，以上所
述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所
作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。