[发明专利]一种适用于手机和wifi的射频电磁波能量收集阵列魔方

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

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；

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；

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。

进一步，所述金属薄片为铜片，厚度为0.018mm。

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。

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。