一种双工天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是指一种双工天线。

背景技术

现有的技术中，5G时代中，基于传感器的万物互联场景越来越多。而在一些特殊的应用场景中，需要通过无线能量传递的技术对传感器进行供电。无线能量传输的研究越来越火热，传统的研究更多地关注无线能量信号的聚焦特性。而最新的研究开始关注能量发射端(TX)聚焦路径与能量接收端(RX)聚焦路径之间的对准问题。常用的方法为从RX端反馈信号给TX端进行位置感应，调整TX端的辐射性能，从而保证无线能量传输效率的稳定性。反馈信号的选择有多种方法，采用与能量信号不同频率的信号来反馈RX端能量接收状况是比较理想的方案。有的方案采用双音输入信号产生的交调信号作为反馈信号，其缺点是交调信号由于离主频信号太近，会分掉太多的能量会使得最后的供电能量减少。有的方案采用单音信号经过整流器件产生的谐波信号作为反馈信号，谐波频率离主频较远，一般不会太影响最终的直流输出能量。采用该方案带来的挑战是天线的设计，由于谐波信号和主频信号相差较远，会采用两幅单独的天线来实现无线能量的传递和接收，这样天线的使用率不高，且天线面积偏大。采用双频天线可以有效地减少天线数及天线面积，但是其后需要接双工滤波电路来分离基波信号和谐波信号，使得无线传感器网络接收节点仍然较大。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中双频天线需要接双工滤波电路来分离基波信号和谐波信号的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种双工天线，包括：

介质基板；

贴片振子，位于所述介质基板顶面，开设有多边形窗口；

曲折单极子天线，位于所述介质基板底面，其一端与多边形窗口第一边沿在所述介质基板底面的映射连接，并与第一微带馈电线连接，用于接收基波功率信号；

曲折馈电线，位于所述介质基板底面，其一端与多边形窗口第二边沿在所述介质基板底面的映射连接，并与第二微带馈电线连接，所述曲折馈电线与所述贴片振子构成缝隙天线，用于反射谐波信号；

第一端口，与所述第一微带馈电线连接；

第二端口，与所述第二微带馈电线连接。

优选地，所述曲折单极子天线的工作频率为0.915GHz，缝隙天线的工作频率为1.83GHz。

优选地，所述多边形窗口为平行六边形窗口，且上下两条平行边的长度小于其他边长。

优选地，所述曲折单极子天线的一端与平行六边形窗口左顶点在所述介质基板底面的映射连接；

所述曲折馈电线的一端与平行六边形窗口右顶点在所述介质基板底面的映射连接。

优选地，所述曲折馈电线的第一折线段平行于平行六边形窗口左顶点和右顶点连接线，第二折线段向上弯折，垂直于第一折线段，第三折线段向右弯折，平行于第一折线段。

优选地，所述曲折单极子天线的第一折线段平行于平行六边形窗口左顶点和右顶点连接线，第二折线段向下弯折，垂直于第一折线段，第三折线段向左弯折，平行于第一折线段。

优选地，所述第一微带馈电线和所述第二微带馈电线均垂直于平行六边形窗口左顶点和右顶点连接线。

优选地，所述第一端口和第二端口位于介质基板的同一边。

优选地，所述曲折单极子天线的宽度小于第一微带馈电线的宽度，所述曲折馈电线的宽度小于第二微带馈电线的宽度。

优选地，所述介质基板为FR4基板，其介电常数为4.4，正切损耗为0.02。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的双工天线，为单一集成的双工天线，特定的信号需要在特定的端口进行收发，且不能泄露到另一个端口，其中，第一端口与单极子天线连接，用于接收能量基波信号，第二端口与缝隙天线连接，用于发射谐波信号，通过谐振电流模式的不同形成端口间的隔离而无需额外的双工滤波器或是功分器以实现天线的双工工作，其中，单极子天线和缝隙天线的馈电线为曲折状，增加了端口间的隔离；本发明提供一副可以自带端口隔离的双工天线可以更进一步地、有效地减少节点面积从而实现无线传感器网络接收节点的小型化。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明一种实施例提供的一种双工天线示意图；

图2是本发明一种实施例提供的一种双工天线侧视图；

图3是特征模分析结果示意图；

图4是双工天线在0.915GHz的电流分布示意图；

图5是双工天线在1.83GHz的电流分布示意图；

图6是天线共面和交叉极化图；

图7是天线阻抗仿真图；

图8是天线仿真反射系数与端口隔离示意图。

附图说明：1-介质基板；2-贴片振子；3-曲折馈电线；4-曲折单极子天线；5-第一微带馈电线；6-第二微带馈电线；7-第一端口；8-第二端口。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种双工天线，自带端口隔离的双工天线可以更进一步地、有效地减少节点面积从而实现无线传感器网络接收节点的小型化。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所提供的一种双工天线，包括：

介质基板，所述介质基板为FR4基板，其介电常数为4.4，正切损耗为0.02；

贴片振子，位于所述介质基板顶面，开设有多边形窗口；

曲折单极子天线，位于所述介质基板底面，其一端与多边形窗口第一边沿在所述介质基板底面的映射连接，并与第一微带馈电线连接，用于接收基波功率信号；

曲折馈电线，位于所述介质基板底面，其一端与多边形窗口二边沿在所述介质基板底面的映射连接，并与第二微带馈电线连接，所述曲折馈电线与所述贴片振子构成缝隙天线，用于反射谐波信号，工作频率为1.83GHz；

第一端口，与所述第一微带馈电线连接；

第二端口，与所述第二微带馈电线连接。

本发明所述的双工天线，为单一集成的双工天线，特定的信号需要在特定的端口进行收发，且不能泄露到另一个端口，其中，第一端口与单极子天线连接，用于接收能量基波信号，第二端口与缝隙天线连接，用于发射谐波信号，通过谐振电流模式的不同形成端口间的隔离而无需额外的双工滤波器或是功分器以实现天线的双工工作，其中，单极子天线和缝隙天线的馈电线为曲折状，增加了端口间的隔离；本发明提供一副可以自带端口隔离的双工天线可以更进一步地、有效地减少节点面积从而实现无线传感器网络接收节点的小型化。

基于以上实施例，本实施例对双工天线进行进一步详细说明，如图1和图2所示：

基于无线传能终端的实际应用，本发明需要接收0.915GHz的功率信号且反射1.83GHz的谐波信号，即曲折单极子天线的工作频率为0.915GHz，缝隙天线的工作频率为1.83GHz。

缝隙天线的谐振频率由多边形窗口决定，单极子天线的谐振频率由其长度决定；所述多边形窗口为平行六边形窗口，且上下两条平行边的长度小于其他边长，可以在有限的面积内获得更低的天线工作频率，实现小型化。

所述曲折单极子天线的一端与平行六边形窗口左顶点在所述介质基板底面的映射连接；所述曲折馈电线的一端与平行六边形窗口右顶点在所述介质基板底面的映射连接，最大限度地利用宽缝隙的尺寸，以使得较长的低频单极子天线可以在较小的窗口中排布。

所述第一微带馈电线和所述第二微带馈电线均垂直于平行六边形窗口左顶点和右顶点连接线；所述第一端口和第二端口位于介质基板的同一边，使得后续整流电路连接便利。

所述曲折馈电线的第一折线段平行于平行六边形窗口左顶点和右顶点连接线，第二折线段向上弯折，垂直于第一折线段，第三折线段向右弯折，平行于第一折线段。

所述曲折单极子天线的第一折线段平行于平行六边形窗口左顶点和右顶点连接线，第二折线段向下弯折，垂直于第一折线段，第三折线段向左弯折，平行于第一折线段。

所述曲折单极子天线的宽度小于第一微带馈电线的宽度，所述曲折馈电线的宽度小于第二微带馈电线的宽度，以调端口的阻抗匹配，以获取较好的回波损耗。

基于以上实施例，本实施例提供双工天线具体的尺寸：

FR4介质基板的尺寸为Ws＝108mm，Ls＝100mm；

平行六边形窗口的各个边长为Ls1＝25.55mm，Ls2＝25.55mm，Ls3＝42mm，Ls4＝39.65mm；

第一微带馈电线和第二微带馈电线的宽度为Wf1＝3mm，长度为Lf1＝55.3mm，Lf2＝55.3mm；

曲折馈电线和曲折单极子天线的宽度为Wf2＝2mm，曲折馈电线的第一折线段L4＝25.5mm，第二折线段L6＝4.4mm，第三折线段L5＝6.4mm；曲折单极子天线的第一折线段L1＝28.8mm，第二折线段L2＝20.35mm，第三折线段L3＝18.35mm。

如图3所示为特征模分析结果，从图中可以看出，本天线结构在915MHz的谐振为模式7，而1.83GHz的谐振模式为模式2。图4和图5则为图2所示谐振模式下的天线电流分布。如图4，很明显可以看到在低频(0.915GHz)时，电流集中在微带线附近，如图5，在高频(1.83GHz)时，电流沿着PCB基板的边沿分布。

如图6所示，为天线共面和交叉极化图；图7为双工天线两个端口的阻抗仿真图，其在915MHz和1830MHz时的输入阻抗都接近Smith圆图的中心，这代表着良好的匹配。

图8为双工天线高低频端口的仿真回波损耗及端口隔离示意图，从图中可以看出，915MHz和1800MHz频点的回损值均超过-15dB，而不同频率端口的相互隔离也优于-10dB。

由微带线馈电的开窗口的贴片振子天线，实现了双工天线的小型化。在915MHz和1830MHz频点的回损超过了15dB，隔离超过了10dB，天线增益在3dB左右，达到了设计要求。这样就在无线传能中即能进行能量地传输，又能赋予无源接收端返回位置信息的功能。

基于以上实施例，使用HFSS进行建模仿真，仿真结果达标后，将该天线的仿真模型导出进行加工制作，板材选用FR4，介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为1.6mm。

在离测试天线2米远处放置一副相位可调整的发射天线，发射天线发射频率为915MHz，功率为1瓦的点频信号。待测天线915MHz端口连接整流电路的输入端而1830MHz端口连接整流电路的谐波输出端。整流电路通过915MHz天线接收到功率信号后产生1830MHz的谐波信号并通过1830MHz天线反射回发射端。发射端天线接收到谐波信号后注入频谱仪。调整发射端端天线姿态直到频谱仪上的谐波频率幅度最大。改变发射天线和测试天线之间的距离，并记录频谱仪收到的谐波信号强度。距离和频谱仪收到的谐波信号强度应当成反比，以此证明本发明可以用作整流电路天线以反馈相应的位置信息。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。