一种用于无线能量传输的平面反射阵列天线

摘要

本发明公开了一种用于无线能量传输的平面反射阵列天线，包括由若干天线单元周期排列而成的平面反射阵列，每个天线单元均包括固定在介质基板上的贴片单元，贴片单元包括圆盘和包围在圆盘四周的四组相位延迟线，相邻两组相位延迟线之间断开；圆盘中央镂空形成闭合方环，闭合方环外逐层嵌套谐振方环，谐振方环是在圆盘上镂空而成，并且在相对于闭合方环的四条边的各个中央位置停止镂空以形成缝隙；每组相位延迟线均包括互相平行的内延迟线与外延迟线，外延迟线的长度大于内延迟线；圆盘边缘正对谐振方环的缝隙处延伸出连接线，连接线垂直贯穿内延迟线并延伸至外延迟线。本发明克服频点不稳定以及口径效率低对无线能量传输带来的不利影响。

权利要求

1.一种用于无线能量传输的平面反射阵列天线，包括馈源与由若干天线单元周期排列而成的平面反射阵列，每个天线单元均包括固定在介质基板上的贴片单元，其特征在于：所述贴片单元包括圆盘和包围在圆盘四周的四组相位延迟线，相邻两组相位延迟线之间断开；所述圆盘中央镂空形成闭合方环，所述闭合方环外逐层嵌套谐振方环，所述谐振方环是在圆盘上镂空而成，并且在相对于闭合方环的四条边的各个中央位置停止镂空以形成缝隙；每组相位延迟线均包括互相平行的内延迟线与外延迟线，外延迟线的长度大于内延迟线，外延迟线的长度是内延迟线的长度的2 4倍；圆盘边缘正对谐振方环的缝隙处延伸出连~接线，连接线垂直贯穿内延迟线并延伸至外延迟线。

2.根据权利要求1所述的用于无线能量传输的平面反射阵列天线，其特征在于：所述介质基板的相对介电常数为ε，其中ε取值范围为2～3，介质基板厚度为h，其中h取值范围为1～2mm。

3.根据权利要求1所述的用于无线能量传输的平面反射阵列天线，其特征在于：所述馈源的馈电方式为偏馈，所述反射阵列天线的阵列波束指向垂直于阵面。

4.根据权利要求1所述的用于无线能量传输的平面反射阵列天线，其特征在于：通过控制谐振方环的个数和谐振方环的尺寸使得谐振方环耦合至设定的工作频段。

5.根据权利要求1所述的用于无线能量传输的平面反射阵列天线，其特征在于：各组相位延迟线的外延迟线等长，各组相位延迟线的内延迟线等长。

6.根据权利要求1所述的用于无线能量传输的平面反射阵列天线，其特征在于：所述闭合方环为正方形。

7.根据权利要求1所述的用于无线能量传输的平面反射阵列天线，其特征在于：所述谐振方环整体呈正方形。

说明书

一种用于无线能量传输的平面反射阵列天线

技术领域

[0001] 本发明属于无线能量传输领域，特别涉及用于无线能量收发的天线。

背景技术

[0002] 随着传统能源的逐渐匮乏，人们对太阳能的利用越来越重视，微波可以作为太阳能远距离无线能量传输载体，因而基于电磁学和无线电波理论的无线能量传输(WPT)技术具有很好的应用前景。无线能量的发射端可以由多种天线结构实现，例如抛物面天线、相控阵天线、平面反射阵列天线等。其中抛物面天线体积大、曲面加工困难，相控阵天线馈电网络复杂、损耗大，而平面反射阵列天线结合抛物面天线、相控阵天线两者的技术优势，馈电简单，成本低，加工容易，方便组装和运输。但是，目前的平面反射阵列天线受到材料、装配、尺寸等因素造成频点不稳定，影响了功率的正常传输，再加上平面反射阵列天线的口径效率较低，严重制约了平面反射阵列天线在无线能量传输领域中的应用。

发明内容

[0003] 针对上述技术的不足，本发明提供了一种用于无线能量传输的平面反射天线，解决如何克服频点不稳定以及口径效率低对无线能量传输带来的不利影响。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供一种用于无线能量传输的平面反射阵列天线，包括馈源与由若干天线单元周期排列而成的平面反射阵列，每个天线单元均包括固定在介质基板上的贴片单元，所述贴片单元包括圆盘和包围在圆盘四周的四组相位延迟线，相邻两组相位延迟线之间断开；所述圆盘中央镂空形成闭合方环，所述闭合方环外逐层嵌套谐振方环，所述谐振方环是在圆盘上镂空而成，并且在相对于闭合方环的四条边的各个中央位置停止镂空以形成缝隙；每组相位延迟线均包括互相平行的内延迟线与外延迟线，外延迟线的长度大于内延迟线；圆盘边缘正对谐振方环的缝隙处延伸出连接线，连接线垂直贯穿内延迟线并延伸至外延迟线。

[0005] 与现有技术相比，本发明具有的有益效果包括：

[0006] 1、现有技术中的多谐振结构中的环形结构均是实体，通过带状贴片围合而成，带状贴片之间的间隙即为环形结构的缝隙。然而，本发明采用镂空的谐振方环形成多谐振结构，缝隙处为实体，提高带宽的同时保持较高的口径效率。

[0007] 2、现有技术采用单频点对无线能量进行传输，要求天线在设计的单频点上稳定，但是材料、装配、尺寸等差异都会导致实际频点偏离设计频点，容易导致收发端不同频，无法正常传输无线能量。本发明的多谐振结构达到360度相位调节范围，配合外围的4组相位延迟线，使不同频率的相移曲线平行，从而提高带宽，使得无线能量进行宽带传输。

[0008] 3、由于本发明提高了口径效率，口径效率越高能够输送的功率越大，同时提高了带宽对无线能量进行宽带传输，因此克服了频点不稳定以及口径效率低对无线能量传输带来的不利影响，达到稳定、可靠高效传输无线能量的效果。

附图说明

[0009] 图1为平面反射阵列的结构示意图；

[0010] 图2为贴片单元的结构示意图；

[0011] 图3为实施例1中的相移曲线图；

[0012] 图4为实施例1中的偏馈反射阵面的相位分布图；

[0013] 图5为实施例1中的平面反射阵E面方向图；

[0014] 图6为实施例1中不同频率下最大增益的曲线图；

[0015] 图7为中实心圆盘贴片实施例1中具有闭合谐振方环的圆盘贴片的相移曲线对比图；

[0016] 图8为实施例2中的相移曲线图；

[0017] 图9为实施例2中的偏馈反射阵面的相位分布图；

[0018] 图10为实施例2中的平面反射阵E面方向图；

[0019] 图11为实施例2中不同频率下最大增益的曲线图；

[0020] 图12为实施例3中的相移曲线图；

[0021] 图13为实施例3中的偏馈反射阵面的相位分布图；

[0022] 图14为实施例3中的平面反射阵E面方向图；

[0023] 图15为实施例3中不同频率下最大增益的曲线图。

具体实施方式

[0024] 参考图1与图2所示，一种用于无线能量传输的平面反射阵列天线，包括馈源与由若干天线单元周期排列而成的平面反射阵列，每个天线单元均包括固定在介质基板上的贴片单元，所述贴片单元包括圆盘和包围在圆盘四周的四组相位延迟线，相邻两组相位延迟线之间断开；所述圆盘中央镂空形成闭合方环，所述闭合方环外逐层嵌套谐振方环，所述谐振方环是在圆盘上镂空而成，并且在相对于闭合方环的四条边的各个中央位置停止镂空以形成缝隙；每组相位延迟线均包括互相平行的内延迟线与外延迟线，外延迟线的长度大于内延迟线；圆盘边缘正对谐振方环的缝隙处延伸出连接线，连接线垂直贯穿内延迟线并延伸至外延迟线。

[0025] 基于上述平面反射阵列的基础结构，通过仿真软件调节天线单元的相关参数，以满足在口径效率与带宽上的设计需求。

[0026] 实施例1

[0027] 外延迟线的长度L1为内延迟线的长度L2的2倍，天线单元的排列周期长度L为0.3λ,λ为波长，介质基板的相对介电常数为ε为2，介质基板厚度为h为1mm，谐振方环的层数为3层，圆盘直径R1为14mm，相位延迟线的宽度W1为0.5mm。

[0028] 图3是实施例1的相移曲线图，从图3中可以看出不同频率的相位曲线近似平行，从而提高带宽，使得无线能量进行宽带传输。

[0029] 图4是实施例1中的反射阵单元的相位分布图，从图4中可以看出达到360度相位调节范围。

[0030] 图5为实施例1中平面反射阵列天线工作在5.8GHz时的E面方向图，从图中可以看增益约等于26.8dB

[0031] 图6是实施例1中平面反射阵天线不同频率下最大增益的曲线图，从图中可以看出带宽为12.4％

[0032] 口径效率 G为增益；λ为波长，根据工作频率5.8GHz得到51.72mm。A为天线的物理面积。所以，口径效率可以根据增益计算，增益根据E面方向图5得到26.8dB。

[0033] 因此，本实施例中平面反射阵列天线的口径效率为45.16％，带宽为12.4％。

[0034] 实心圆盘贴片和本实施例中具有闭合谐振方环的圆盘贴片的相移曲线对比如图7所示，本实施例中具有闭合谐振方环的圆盘贴片的相移曲线在更大的尺寸范围内呈线性，而且更平缓，证明有着更好的移相特性。这意味着实际加工中，尺寸误差会对相位造成更小的影响。

[0035] 实施例2

[0036] 外延迟线的长度L1为内延迟线的长度L2的3倍，天线单元的排列周期长度L为0.4λ,λ为波长，质基板的相对介电常数为ε为2.5，介质基板厚度为h为1.5mm，谐振方环的层数为3层，圆盘直径R1为14mm，相位延迟线的宽度W10.5mm。

[0037] 图8是实施例2的相移曲线图，从图3中可以看出不同频率的相位曲线近似平行。

[0038] 图9是实施例2中的反射阵单元的相位分布图，从图中可以看出达到360度相位调节范围。

[0039] 图10为实施例2工作在5.8GHz时的E面方向图，从图中可以看出增益约等于26.9dB.

[0040] 图11是实施例2在不同频率下最大增益的曲线图，从图中可以看出带宽为15.1％。

[0041] 口径效率 G为增益；λ为波长，根据工作频率5.8GHz得到51.72mm。A为天线的物理面积。所以，口径效率可以根据增益计算，增益根据E面方向图10得到26.9dB。

[0042] 因此，本实施例中平面反射阵列天线的口径效率为46.21％，带宽：15.1％。

[0043] 实施例3

[0044] 外延迟线的长度L1为内延迟线的长度L2的4倍，天线单元的排列周期长度L为0.5λ,λ为波长，质基板的相对介电常数为ε为3，介质基板厚度为h为2mm，谐振方环的层数为3层，圆盘直径R1为14mm，相位延迟线的宽度W10.5mm。

[0045] 图12是实施例3的相移曲线图，从图3中可以看出不同频率的相位曲线近似平行。

[0046] 图13是实施例3中的反射阵单元的相位分布图，从图中可以看出达到360度相位调节范围。

[0047] 图14为实施例3中平面反射阵列工作在5.8GHz时的E面方向图，从图中可以看出增益约等于26.4dB

[0048] 图15是实施例3中平面反射阵天线不同频率下最大增益的曲线图，从图中可以看出带宽为13.6％。

[0049] 口径效率 G为增益；λ为波长，根据工作频率5.8GHz得到51.72mm。A为天线的物理面积。所以，口径效率可以根据增益计算，增益根据E面方向图14得到26.4dB。

[0050] 因此，本实施例中平面反射阵列天线的口径效率为42.14％，带宽：13.6％。