[发明专利]一种可测风速和风向的射频与振动能量收集装置

说明书

本发明公开了一种可测风速和风向的射频与振动能量收集装置。该装置包括：正八棱柱底座、挡板、压电片、FR4软性覆铜板、金属层和共面波导基片。正八棱柱底座垂直固定于外墙，每一条棱边上固定一片压电片，每两片压电片之间用一块挡板隔开。同时每一片压电片上覆一块FR4软性覆铜板，两者构成射频天线的介质层基板。本发明可以在收集环境中的射频与振动能量的同时，测得风向与风速。

技术领域

本发明涉及一种振动和射频混合能量收集装置，更具体的，涉及一种可测风速和风向的振动和射频能量收集装置。

背景技术

近年来，随着低功耗便捷式电子产品、无线传感器和通信设备技术的发展，常规电化学电池因其固有的缺点，如寿命短、维护难、污染重等，逐渐被淘汰，取而代之的是能量收集装置。能量收集装置是指收集周围环境中存在的能量，如振动能、太阳能、声能、风能、热能、射频能等，并将其转化为电能的装置。正因为能量收集装置的环保性、低功耗性以及便携性等优点，使其拥有广泛的应用前景。

在所有能量来源中，振动能是最普遍潜在的能量之一。振动能量的收集分为静电式、压电式和电磁感应式三种，这三种方式输出的能量都较为稳定，且能量密度高。但相比于其他两种结构，压电式振动能量收集利用压电效应将振动能转化为电能，结构简单、成本低能量密度大等诸多优点。压电材料多种多样，PVDF压电薄膜相比于其他压电材料，其韧性好，弹性模量低。可以承受很大的形变，与此同时，该材料对环境几乎没有污染。

近年来，随着无线通信技术的不断发展，射频能量越来越受到人们的关注。1975年BrownW.C.用铝条做成半波偶极子天线，完成了由交流到直流的输能系统试验。2007年，英特尔公司和微软公司分别推出了自己的无线充电装置。2012年，美国俄亥俄州立大学通过对2.45GHzWiFi信号能量进行20分钟的持续收集转换，使带LCD显示的外内外温度湿度检测器持续工作了10分钟。

在通信技术飞速发展的现今，射频能量可以说是无处不在，我们生活环境的周围有许多诸如雷达、WiFi、GSM等射频广播基站，这些设备基本上配备这全向天线，可像四面八方辐射射频信号，虽然这些信号携带的能量不高，但足以满足超低功耗传感器节点或电路的持续运行条件。目前的环境射频能量收集技术正朝着小型化、宽频化、智能化、阵列化等方向发展。

早期的能量收集技术大都局限于单一的环境能量收集，但单一的环境能量强度有限，且环境的多样性常常导致采集到的能量急剧降低，效率不高。因而，可以设计一种一体化的结构，对环境中的两种甚至更多种能量同时进行收集，这样既提高了收集的效率，同时使得整个系统对环境的适应能力大大增强，提高了系统的稳定性。然而，目前大多数的混合能量收集只是简单地将各个能量收集装置进行机械的组合，这样的分离设计增加了尺寸的同时，也影响了整个系统的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于设计一种固定于外墙、可测风速和风向的混合能量收集装置，可同时收集环境中的射频能与振动能量，可应用于给超低功耗传感器节点或电路的供能。在收集混合能量的同时，还可测得风向与风速，适于大规模的应用。

本发明解决上述技术问题的具体技术方案如下：

一种可测风速和风向的射频与振动能量收集装置，包括正八棱柱底座(1)、压电片(2)、挡板(3)；正八棱柱底座(1)垂直固定于外墙，平行于每一条棱边上固定一片压电片(2)，每两片压电片(2)之间用一块挡板(3)隔开；所有挡板(3)呈米字型结构，每两块挡板(3)的夹角为45度，压电片(2)和挡板(3)均垂直固定在正八棱柱底座(1)的一侧；同时每一片压电片(2)上覆一块FR4软性覆铜板(4)，压电片(2)与FR4覆铜板(4)共同构成射频天线的介质层基板，天线采用共面波导的馈电方式。

进一步，所述正八棱柱底座(1)、压电片(2)与挡板(3)组成振动能量收集部分，所述FR4软性覆铜板(4)上面贴有金属贴片(5)和共面波导基板(6)；所述压电片(2)、FR4软性覆铜板(4)、金属贴片(5)、共面波导基板(6)组成射频能量收集部分。