一种可测风速和风向的射频与振动能量收集装置

摘要

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。

说明书

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。

进一步，挡板(3)用于减小其他方向风的影响，同时用作压电片(2)的限幅保护。

进一步，金属贴片(5)采用倒梯形结构，馈线两侧是两片共面波导基板(6)，共面波导基板(6)为矩形，射频能量收集部分的馈电方式为共面波导馈电。

进一步，所述射频能量收集部分的工作频率为2.4GHz。

进一步，压电片(2)采用阵列式结构，所用材料为PVDF偏聚氟乙烯智能压电材料。

进一步，采用介电常数较高的压电片和介电常数较低的FR4覆铜板两层基板作为天线的介质层，在保证天线带宽的同时尽可能的减小了天线的尺寸。

进一步，单片压电片(2)引出电极，用以测量压电片形变时的幅值电压，以此来测得风速；通过同一时刻不同压电片幅值电压的横向对比，以此测出风向。

本发明的工作过程如下：

射频能量收集天线采用堆叠式结构，从下到上一共3层：第1层与第2层均为介质层，第1层采用介电常数较高的PVDF压电薄膜材料，有利于天线的小型化设计；第2层采用介电常数较低的FR4软性覆铜板，保证了天线的带宽够宽。第3层为金属层，贴片采用倒梯形结构，馈电方式选择共面波导馈电，这种馈电方式不需要在介质层上打孔，设计可行性优，天线的工作频率为2.4GHz。先确定下整个天线的整体形状之后，通过ANSOFT公司的HFSS软件，对各项参数进行仿真优化，然后对实物进行测试改进，最终得出所需要的实物。

压电式振动能量收集装置采用阵列式结构，与射频能量收集天线共用第1层介质层，两层介质层几乎一致，这样两层产生的电信号波形几乎相同，减少了谐波的影响。单片压电片引出电极，用以测量压电片形变时的幅值电压，以此来测得风速；通过同一时刻不同压电片幅值电压的横向对比，以此测出风向。所述的第1层底面作为压电振动能量收集的负极板，第3层金属层的作为正极板。

本发明具有的有益效果

射频能量收集方面，本发明通过采用两种介电常数不同的材料组成的介质层，在保证了天线带宽的同时，减小了天线的尺寸；采用共面波导的馈电方式不需要在介质层上打孔，提高了设计的可行性；振动能量收集方面，本发明采用阵列式结构，可以测得不同的风向；同时，单片压电片引出电极，根据电压与振幅之间的比例关系可以测出风速；输出采用并联式结构，增大了输出功率；FR4覆铜板以及金属层均附在压电片偏末端，有利于增大振幅，从而增大输出功率；挡板在减少其他方向风的影响的同时，限制了压电片的形变幅度，起到了良好的保护作用。本发明在收集振动与射频能量的同时，兼有测风速与风向的功能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的射频能量收集系统侧视图。

图3为本发明的射频能量收集系统俯视图。

图4为本发明的侧面结构主视图。

图中，1-底座，2-压电层，3-挡板，4-FR4覆铜板，5-金属层，6-共面波导基片。

具体实施方式

如图1、4所示，本发明设计了一种振动和射频混合能量收集装置，同时兼有测风向与风速的功能。本发明包括：正八棱柱底座、压电片、挡板、FR4软性覆铜板、金属层。正八棱柱底座垂直固定于外墙面上，每一条棱边上垂直固定一片PVDF压电片，8片压电片采用阵列式结构并联连接，单片压电片引出电极，用以测量压电片形变时的幅值电压，以此来测得风速；通过同一时刻不同压电片幅值电压的横向对比来测出风向。如：当风由左向右刮时，其他方向的压电片由于挡板的存在，形变并不明显，只有最左边的压电片会产生较大幅度的弯曲，通过电极的输出电压值即可判定风向；再通过输出电压与振幅之间的正比关系即可测出风速。挡板可以减少其他方向的风的影响，同时起到对压电片的限幅保护作用。所述压电片、FR4软性覆铜板和金属层组成了整个射频能量收集系统，其中，介电常数较高的压电片和介电常数较低的FR4软性覆铜板构成天线的介质层，金属贴片采用倒梯形的结构，馈电方式为共面波导馈电。这样就构成了可测风速与风向的振动能量收集和射频能量收集装置的一体化能量收集装置。

一种可测风速与风向的振动和射频能量收集装置，,在收集振动与射频混合能量的同时，兼有可测风速与风向的功能。包括：正八棱柱底座垂直固定于外墙，平行于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，压电片与FR4覆铜板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。

如图2，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。

所述正八棱柱底座、压电片与挡板组成振动能量收集部分，底座作为压电片的固定端，挡板可以减小其他方向风的影响，同时可以用作压电片的限幅保护。

如图3，所述压电片、FR4软性覆铜板与金属贴片组成射频能量收集部分，压电片与FR4软性覆铜板作为天线的介质层，金属贴片采用倒梯形结构，馈电方式为共面波导馈电；所述天线的工作频率为2.4GHz。

压电片采用阵列式结构，所用材料为PVDF偏聚氟乙烯智能压电材料，该材料的优点是韧性好且无污染；

采用介电常数较高的压电片和介电常数较低的FR4覆铜板两层基板作为天线的介质层，在保证天线带宽的同时尽可能的减小了天线的尺寸。

射频能量收集天线采用共面波导结构实现，其外形尺寸全由ANSOFT公司的HFSS软件进行仿真优化和计算后获得，两层介质层的厚度均为0.1mm，PVDF压电薄膜的尺寸为60*30mm，FR4板的尺寸为50*30mm，倒梯形的上底长为20mm，下底长为10mm，微带线宽为0.2mm，两块共面波导基板尺寸为14*12mm。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。