[发明专利]一种基于压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线

说明书

本发明公开了一种基于压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线，包括太阳能薄膜(1)以及压电薄膜(2)构成的介质基板，位于介质基板上方中部的天线贴片(3)、位于介质基板上表面一侧的接地板(4)，所述天线贴片(3)的阻抗传输线朝向接地板(4)一侧，且穿过相邻两个接地板(4)之间；所述介质基板通过压电材料的压电效应收集振动能量，所述介质基板通过太阳能薄膜收集光能。本发明的基于压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线可收集射频、振动以及光能，具有结构紧凑、高增益以及有利于一体化能量收集等优点。

技术领域

本发明涉及能量收集领域，特别涉及一种应用于收集射频、振动以及光能的天线。

背景技术

在5G通信的大时代背景下，物联网以及半导体芯片技术异军突起，越来越多的小型化、低功耗无线传感器件不断涌现，在各行各业中发挥着至关重要的作用。在穿戴设备、水产养殖、航空航天等领域，许多监测系统中已植入无线传感器件用于收发信号，从而对异常状况进行判定与反馈。这些传感器技术无论从理论上还是实际应用上都处于比较先进的水平，而与之相对应的自身能源供应技术却相对滞后，绝大部分传感器依靠的仍然是传统的化学电池。由于传统电池储存电量有限且化学污染较重，后续频繁地更换以及维护操作无疑会增加整个传感网络的成本。在一些穿戴设备以及植入人体的医疗设备中，更换电池甚至会伴随着很高的风险。为了解决这些低功耗传感器件的能源供给问题，迫切需要一种绿色环保的新型供电方案，在这样的严峻背景下，能量收集的理念应运而生。

能量收集技术是指通过采集环境中广泛分布的微弱能量，如风能、太阳能、振动能、电磁能等，并将其转化为直流电信号进行存储与供应的技术。在现有的能量收集技术中，太阳能电池收集到的能量密度较高，但苛刻的时间与光照条件让其输出十分受限。反观能量密度次高的压电材料，就输出条件而言，环境中无处不在的机械振动随时可以提供能量来源；就便携性而言，压电材料质量轻、体积小，可制成穿戴式结构随身携带。不过，由于环境多样性带来的影响，单一的环境能量往往不能满足持续稳定输出的供电要求，考虑同时收集两种或多种能量逐渐成为该领域发展的趋势。

目前，国内外对于天线的研究绝大多数还是以FR4(环氧树脂板)、RT5880等微波介质为基板，但这类天线目的主要在于实现射频能量的收集，其通常不可弯曲，柔韧性差。国内对能量收集天线的研究更是明显滞后很多。近几年，能量收集天线的表现出了巨大潜力，对其研究增加了更多的精力。

随着对压电薄膜材料的研究，以压电薄膜为基底的天线开始得到研究者的关注，由于其具有很高的介电常数、可收集振动能量以及可作为天线介质的特性很适合混合能量收集天线领域。圆形天线具有频带宽、增益高等优点，在微带天线领域得到了广泛的应用。

发明内容

技术问题：为了克服现有能量收集天线收集能量单一、微弱的缺点与不足，本文发明了一种基于压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线。该天线可收集射频、振动以及光能。

本发明的技术方案为：一种基于压电与太阳能薄膜材料的柔性混合能量收集天线，该天线用于收集环境中的射频、振动以及光能；包括太阳能薄膜(1)以及压电薄膜(2)构成的介质基板，位于介质基板上方中部的天线贴片(3)、位于介质基板上表面一侧的接地板(4)，所述天线贴片(3)的阻抗传输线朝向接地板(4)一侧，且穿过相邻两个接地板(4)之间；所述介质基板通过压电材料的压电效应收集振动能量，所述介质基板通过太阳能薄膜收集光能。

进一步，所述天线贴片(3)采用叠圆形贴片。

进一步，所述压电薄膜(2)采用了适用于天线介质的PVDF，介电常数9.5。

进一步，所述太阳能薄膜(1)采用了适用于天线介质的非晶硅太阳能薄膜，介电常数11.5。

进一步，所述天线采用了共面波导馈电结构，天线的中心频率为2.45GHz，回波损耗S11-10dB，天线尺寸长宽为60mm×50mm。