基于双频透明介质谐振器天线的混合能量收集装置

摘要

本发明是一种基于双频透明介质谐振器天线的混合能量收集装置，在介质板(5)的下面设有整流电路(3)，在介质板(5)的上面设有接地板(9)、薄膜太阳能电池(1)，透明介质谐振器天线(2)位于太阳能薄膜电池(1)上，在透明介质谐振器天线(2)上设有探针(4)，探针(4)从下方的整流电路(3)通过介质板(5)的通孔(6)对透明介质谐振器天线(2)进行馈电，在探针(4)和透明介质谐振器天线(2)之间有一层透明导电膜(7)连接，在透明介质谐振器天线(2)四周有导电条带(8)，用于激发透明介质谐振器天线(2)的多种模式。本发明的混合能量收集装置，为未来无线传感器远距离无线充电提供了一个解决办法。

说明书

技术领域

本发明涉及能量采集技术领域，尤其涉及基于双频透明介质谐振器天线的混合能量收集装置。

背景技术

随着现代工业社会的快速发展，无线传感器和物联网设备被广泛的使用，但是对于这些设备的能源的持续供应成为了一个急需要解决的问题。传统的无线设备都是依靠电池的供应进行工作，然而电池的使用只能持续一段时间，所以当电池需要更换时，就不可避免地造成了资源的浪费和环境的污染。为了解决这些的问题，实现物联网等无线传感器领域的低功率设备的自给自足，能量收集技术是很有必要的。

太阳能是目前地球上最广泛的，且具有绿色无污染，储量大，使用长久等优点。太阳能收集技术目前发展已经较为成熟，涌现了多种形式的太阳能电池。射频能量收集技术作为一种具有能量传输距离远、位置灵活、可跟踪、无污染等明显优势，受到世界各国的重视，目前，微波输能技术主要朝着高效率能量转换与利用等方向发展。所以本专利将集成射频、太阳能混合能量，将两者结合起来，实现能量收集利用率的最大化。

发明内容

技术问题：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出了高效率的双频段能量收集系统，并将其与太阳能电池结合，实现了射频-太阳能混合能量收集系统。将两种集成在一起，减小了整体的尺寸，并且实现了更高的混合能量收集效率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于双频透明介质谐振器天线的混合能量收集装置采用的技术方案是：

该混合能量收集装置以介质板为基板，在介质板的下面设有整流电路，在介质板的上面设有接地板，在接地板上面设有薄膜太阳能电池，用作薄膜太阳能电池保护层的透明介质谐振器天线位于太阳能薄膜电池上，在透明介质谐振器天线上设有探针，探针从下方的整流电路通过介质板的通孔对透明介质谐振器天线进行馈电，在探针和透明介质谐振器天线之间有一层透明导电膜连接，在透明介质谐振器天线四周有导电条带，用于激发透明介质谐振器天线的多种模式。

所述的太阳能薄膜电池采用非晶硅太阳能薄膜收集到太阳能，透明的介质谐振器天线作为接收天线，收集环境中的射频能量，同时实现射频能量和太阳能的收集，实现射频-太阳能混合能量收集装置。

所述透明介质谐振器天线通过探针馈电，在透明介质谐振器天线四周通过粘贴多个导电膜，激发透明介质谐振器天线的多种模式，拓展天线接收射频能量的范围，有效解决自然环境中射频能量密度低的缺点。

所述透明介质谐振器天线和整流电路共用一个接地板。

所述的整流电路采用高效率的双频整流电路。

所述的透明介质谐振器天线，探针，薄膜太阳能电池，和整流电路之间用热熔胶连接。

所述的透明导电膜用纳米胶带粘贴在透明介质谐振器天线的四周。

有益效果：本发明与现有的混合能量收集系统相比具有以下突出的特点：

1、本发明具有更加紧凑的尺寸，结构也更加的简单：

2、本发明通过上层的透明介质谐振器天线、非晶硅薄膜太阳能电池，整流电路共同构成混合能量收集系统。透明天线作为非晶硅太阳能薄膜电池的保护层，可以防止薄膜电池被氧化。

3、在天线的四周粘贴透明导电膜可以激发介质谐振器天线的多种模式，实现双频的功能，从而能够收集到环境中更多的射频能量。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图。

图2为本发明的正视图。

图3为本发明的俯视图。

图4为本发明的反射系数曲线图。

图5为本发明的在2.45GHz天线方向图。

图6为本发明的在3.6GHz天线方向图。

图7为本发明的整流电路结构图。

图8为本发明的整流电路输出效率仿真图。

图9为本发明的整流电路输出电压仿真图。

图中有：薄膜太阳能电池1、透明介质谐振器天线2、整流电路3、探针4、介质板 5、通孔6、透明导电膜7、导电条带8、接地板9。

具体实施方式

基于双频透明介质谐振器天线的混合能量收集装置包括用作非晶硅太阳能薄膜保护层的透明介质谐振器天线，太阳能薄膜电池和整流电路，来实现射频-太阳能混合能量收集系统。透明介质谐振器天线主要由探针馈电，在探针和透明介质谐振器之间有一层透明导电膜连接，在透明介质谐振器四周有导电条带，用于激发介质谐振器的多种模式，透明介质谐振器天线的底部有一块太阳能薄膜电池，薄膜太阳能电池下面有一块接地板和整流电路，其中整流电路和天线共用一块接地板。介质谐振器天线，探针，太阳能薄膜电池，和整流电路之间用热熔胶连接。导电薄膜用纳米胶带粘贴在天线的四周。

所述的混合能量收集系统中，太阳能采用非晶硅太阳能薄膜电池，透明的介质谐振器天线作为接收天线，收集环境中的射频能量，并且由于天线是透明的，太阳光可以很好的透过，所以在底部的太阳能电池能够收集到太阳能，很好的实现了射频-太阳能混合能量收集系统。

所述的透明介质谐振器天线通过探针馈电，在天线四周通过粘贴多个导电膜，激发了介质谐振器天线的多种模式，从而拓展了天线接收射频能量的范围，有效解决了自然环境中射频能量密度低的缺点。

所述的整流电路部分作为天线和太阳能电池支撑板，并且天线和整流电路共用一个接地板。

所述的高效率的双频整流电路，包括双频阻抗匹配网络，用于实现天线和整流电路负载匹配，肖基特整流二极管，滤波电容，负载，使天线收集到的射频能量变为直流。

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、2、3所示，基于双频透明介质谐振器天线的混合能量收集系统，整体结构包括上层的双频透明介质谐振器天线2，天线底部和接地板9之间有一个非晶硅薄膜太阳能电池1，接地板9下方是一个双频整流电路3，介质谐振器天线的材料采用透明亚克力有机玻璃制成，具有高透光性，一方面可以作为天线的辐射体，另一方面可以保护薄膜太阳能电池1，防止被氧化。天线的四周粘贴着透明导电条带8，用于激发双频模式，增加天线的辐射增益，这样可以吸收到环境中更多的射频能量。天线采取探针4馈电的方式，从底部的整流电路3端，通过介质板的通孔6馈电到上方的透明介质谐振器天线2。在天线的底部的薄膜太阳能电池1正负极用导线引出。天线和整流电路3共用一个接地板9，整流电路的介质板5材料采用Rogers5880，介电常数为2.2，正切损耗角为0.0009，介质板的厚度为1.58mm。

双频整流电路主要由一个双频匹配网络，一个肖基特整流二极管，型号为HSMS5880，一个滤波电容，负载构成。透明介质谐振器天线2，薄膜太阳能电池1，双频整流电路3由热熔胶连接，天线四周的导电条带8采用纳米胶粘贴。

如图1，2，3所示所示组成部分，天线的尺寸为30*30*20mm，接地板的边长为 50*50mm，导电条带8宽度为3mm，探针长度为18mm，探针的位置在距离天线边缘中心偏移12mm，太阳能电池的尺寸为30*30mm，整流电路介质板的尺寸为50*50*1.58mm，天线和整流电路的频率为2.45GHz和3.6GHz，选用仿真软件如Ansoft公司的HFSS、 AGILENT公司的ADS等高频仿真软件，在计算机上模拟仿真得到：如图4所示的天线反射系数曲线图、图5，6所示的是天线的增益方向图、图7所示的为整流电路的结构图、图8所示的是仿真双频整流电路的输出效率。图9所示的是仿真双频整流电路的输出电压，以上得到的曲线实在给定条件下获得，若改变结构参数也可以获得相似的曲线。

以上所述仅是本发明发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。