[发明专利]一种近似全空间覆盖的低剖面电磁偶极子天线

说明书

本发明提供一种近似全空间覆盖的低剖面电磁偶极子天线，属于无线能量收集和天线技术领域，由两个天线单元关于金属板14对称组合而成。每个天线单元分为四层矩形介质结构，从上到下依次包括高介电常数的顶层介质块、低介电常数的中间上层介质板、低介电常数的中间下层介质板以及低介电常数的底层介质板，各层之间通过胶粘合或在通过绝缘螺丝固定。本发明采用两个天线单元即可实现近似全空间覆盖，在宽覆盖范围的基础上，不仅实现了宽频带性能，并且具有高的前后比。总体来说，本发明可以在3.4‑3.6GHz频带内收集环境中各个方向的能量，并且具有低剖面和小尺寸，有利于和整流电路进行集成用于WEH系统，从而为物联网数以万计的传感器进行无线供电。

技术领域

本发明属于无线能量收集和天线技术领域，涉及一种近似全空间覆盖的电磁偶极子天线。

背景技术

整流天线是无线能量收集(WEH)系统的核心器件，整流天线的目标是接收尽可能多的射频能量，并将其传递给整流器，整流器将射频能量转化成直流，供给无线节点使用。对于WEH场景，由于入射波方向未知，天线单元通常为全向，然而，全向的天线只能在一个完整的平面(如XY平面)收集不同方向的能量，而在另一个平面(如XZ平面)天线的辐射角度是有限的，所以，全空间覆盖的天线更适用于WEH系统，因其可以在两个平面上(如XY平面和XZ平面)收集任意方向入射的射频能量，故极大地提高了能量的利用率。现有全空间覆盖天线的研究中，由于每个天线单元的覆盖范围有限，所以需要利用更多的单元数量，如6个、8个甚至是12个一起形成全空间覆盖辐射，这样往往导致复杂的天线结构和较大的天线尺寸，不利于后续其他电路结构进行级联和进一步的实际应用。由此可见，利用较少的天线数量，设计结构紧凑并且实现近似全空间辐射覆盖的天线是具有重要应用价值的。

为实现利用较少天线数量实现近似全空间的辐射覆盖，势必需要天线具有宽的半功率波束宽度。电磁偶极子天线利用电偶极子和磁偶极子方向图的叠加原理，可产生宽的辐射波束。当理想的电偶极子和磁偶极子同时激励并且相位差为90度时，可产生近似全空间覆盖的辐射，但是其工作带宽较窄，且增益通常较小(0dbi)。当理想的电偶极子和磁偶极子同时激励并且相位差为180度时，可获得半功率波束宽度达到130度左右的单向辐射方向图，但如果将电磁偶极子天线两个平面(如XY平面和XZ平面)的半功率波束宽度扩展到180度左右，一方面，两个侧向辐射且辐射方向相反的天线单元组合即可实现近似全空间的覆盖，用于WEH场景，从而尽可能地收集空间中更多的射频能量。另一方面，单个天线在一些应用中其性能优于具有天顶辐射模式的天线，如办公室和家庭WiFi路由器，天线通常放置在远离房间中心的地方，如墙边等。

为实现电磁偶极子天线的低剖面和紧凑型设计，近年来，介质谐振器(DR)天线(DRA)因其结构紧凑、效率高、带宽较宽、设计灵活、辐射模式多样化等优点而得到了广泛的研究。然而，目前大多数的DRA或者设计为电偶极子天线实现全向辐射模式，或者作为磁偶极子天线实现天顶辐射模式，而侧向的辐射是比较少见的。而现有的侧向辐射DRA，其辐射波束一般只有120度左右，很难实现近似全空间辐射覆盖。因此，基于电磁偶极子工作原理，设计侧向辐射的低剖面且宽半功率波束宽度的DRA，是实现紧凑结构的近似全空间辐射覆盖DRA的关键，且该技术能够满足多种应用场景，极具市场潜力。

发明内容