基于透明导电薄膜的太阳能电池圆极化卫通透明天线
阅读说明：本技术 基于透明导电薄膜的太阳能电池圆极化卫通透明天线 (Solar cell circularly polarized transparent satellite antenna based on transparent conductive film ) 是由 胡承刚 王刚 史浩飞 张恒 邵丽 周萌 程晋广 于 2021-06-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于透明导电薄膜的太阳能电池圆极化卫通透明天线,该天线自上而下包括：上层微带辐射贴片、上层介质基板、空气层、微带线馈电网络和下层微带辐射贴片、下层介质基板、地面反射贴片以及太阳能电池；上下层微带辐射贴片都由四个相同尺寸的方形贴片组成阵列且上下层贴片的中心位置相同；上层介质基板上的辐射贴片尺寸略大于下层介质基板对应位置的辐射贴片；下层介质基板上的馈电网络,通过设计可以实现圆极化。该天线使用叠层结构每层四个辐射贴片,下层四个贴片通过馈电网络实现双馈点侧馈,并对上层贴片进行耦合馈电形成双频圆极化特性,天线整体结构较简单,便于制作,具有透光性能可以和太阳能电池集成起来。(The invention provides a solar cell circularly polarized transparent defending antenna based on a transparent conductive film, which comprises the following components from top to bottom: the device comprises an upper micro-strip radiation patch, an upper dielectric substrate, an air layer, a micro-strip line feed network, a lower micro-strip radiation patch, a lower dielectric substrate, a ground reflection patch and a solar cell; the upper and lower layers of microstrip radiation patches are formed into an array by four square patches with the same size, and the center positions of the upper and lower layers of patches are the same; the size of the radiation patch on the upper dielectric substrate is slightly larger than that of the radiation patch at the corresponding position of the lower dielectric substrate; the feed network on the lower dielectric substrate can realize circular polarization through design. This antenna uses four radiation patches on every layer of laminated structure, and four patches of lower floor realize that double-fed point side feeds through the feed network to carry out the coupling feed to the upper patch and form dual-frenquency circular polarization characteristic, antenna overall structure is simpler, and the preparation of being convenient for has light transmission performance and can get up with solar cell integration.)
技术领域
本发明涉及无线通信与绿色能源领域，是一种基于透明导电薄膜的太阳能电池圆极化卫通透明天线。
背景技术
新能源飞速发展，开始应用在我们生活中的各个方面，光伏太阳能作为新能源的重要代表，是一种取之不尽、用之不竭的无污染绿色能源。天线作为信号的收发装置在无线通信系统中是必不可少的，其性能和外观结构对整个通信系统有着十分重要的影响。将太阳能电池和天线集成在一起是一种经济有效的手段，能够极大的增加天线利用的空间和口径，同时还可以对天线进行一定程度的保护。然而，目前存在的很多天线采用不透光的铜作为辐射贴片、馈电网络以及接地面，使得天线不能同太阳能电池结合，无法有效利用电池的口径。
当然，也有技术公开了透明天线，如专利号CN201510955346.1公开的一种光透明天线，结构包括：第一层、第二层和第三层依次相接的三层结构，其中，第一层是天线辐射体层，第二层是具有透明特性的介质层，第三层是天线地层，所述天线辐射体层由铟锡氧化物ITO薄膜作为辐射贴片，所述天线地层采用的是开槽类型的频率选择表面。由于该方案中的光透明天线的频率选择表面为开槽类型的频率选择表面，从其频率特性上属于带通型频率选择表面，通带内会对入射的电磁波进行反射，通带外表现出透射特性，而利用该种频率选择表面的频率选择特性，使得光透明天线工作在频率选择表面的通带时表现出定向特性。但是该透明天线结构无法实现整个天线阵列的圆极化。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于透明导电薄膜的太阳能电池圆极化卫通透明天线，其具有叠层结构，有较好透光性，可用于移动通信、边防、雷达探测等领域。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于透明导电薄膜的太阳能电池圆极化卫通透明天线，自上而下包括：上层微带辐射贴片、上层介质基板、空气层、微带线馈电网络和下层微带辐射贴片、下层介质基板、地面反射贴片、太阳能电池；其中，
所述上层微带辐射贴片、下层微带辐射贴片为方形且由四部分组成天线阵列，所述上层微带辐射贴片、下层微带辐射贴片的位置分别对应；
所述上层介质基板与所述下层介质基板面积相同、材料一致；
所述空气层将上层介质与下层介质分开；
所述地面反射贴片尺寸与介质基板相同。
作为优选，还包括SMA接头，所述SMA接头的探针与所述微带线馈电网络连接，所述微带线馈电网络与所述地面反射贴片通过所述SMA接头相连馈电。
作为优选，所述上层介质基板与所述下层介质基板的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、透明玻璃中的一个。
作为优选，所述微带辐射贴片、所述微带线馈电网络、所述地面反射贴片均为透明导电薄膜。
作为优选，所述透明导电薄膜为铟锡氧化物薄膜、透明金属网格薄膜、石墨烯薄膜中的一个或多个。
作为优选，所述微带辐射贴片、所述馈电网络、所述地面反射贴片的透明导电薄膜原材料透明度大于70％，方阻小于10Ω/sq。
作为优选，所述太阳能电池为单晶硅或多晶硅。
作为优选，所述太阳能电池天线工作频段覆盖1980-2200MHz。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明公开了一种基于透明导电膜的太阳能电池圆极化卫通透明天线，其采用透明基板材料及透明导电薄膜制成，运用叠层结构，具有良好透光性，可与太阳能电池直接集成在一起而不影响太阳能电池的正常工作，进一步地，该天线的微带辐射贴片为方形且有上下两层，通过对方形贴片的尺寸调整，可以产生宽频或双频天线；进一步地通过馈电网络的设计可以实现对单个贴片的两个馈电点产生极化正交，相位相差90°的简并模，达到圆极化，且整个天线阵也实现顺时针相位依次相差90°整体达到圆极化。使得该天线可用于移动通信、边防、雷达探测等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明的一种基于透明导电膜的太阳能电池圆极化卫通透明天线的一实施例的整体结构示意图；
图2(a)是俯视图；
图2(b)是底视图；
图2(c)是侧视图；
图3为图1中太阳能电池圆极化卫通透明天线的电压驻波比图像；
图4(a)为本发明中的太阳能电池圆极化卫通透明天线低频段中心频率 f01＝1995MHz处辐射特性仿真三维增益方向图；
图4(b)为本发明中的太阳能电池圆极化卫通透明天线低频段中心频率 f01＝1995MHz处辐射特性仿真xoz面的增益方向图；
图4(c)为本发明中的太阳能电池圆极化卫通透明天线低频段中心频率 f01＝1995MHz处辐射特性仿真yoz面的增益方向图；
图4(d)为本发明中的太阳能电池圆极化卫通透明天线低频段中心频率 f01＝1995MHz处的轴比仿真图；
图5(a)为本发明中的太阳能电池圆极化卫通透明天线高频段中心频率 f02＝2185MHz处辐射特性仿真三维增益方向图；
图5(b)为本发明中的太阳能电池圆极化卫通透明天线高频段中心频率 f02＝2185MHz处辐射特性仿真xoz面的增益方向图；
图5(c)为本发明中的太阳能电池圆极化卫通透明天线高频段中心频率 f02＝2185MHz处辐射特性仿真yoz面的增益方向图；
图5(d)为本发明中的太阳能电池圆极化卫通透明天线高频段中心频率 f02＝2185MHz处轴比仿真图；
附图标记：1为上层微带辐射贴片，2为上层介质基板，3为空气层，4为微带馈电网络，5为下层微带辐射贴片，6为下层介质基板，7为地面反射贴片， 8为单晶硅太阳能电池，9为SMA接头
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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。
所举实施例是为了更好地对本发明进行说明，但并不是本发明的内容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
需要注意，本文中的公式中的代表式下标如不做额外解释，均只作为区分，不代表其他释义。
实施例1
参考图1，为本发明一种基于透明导电膜的太阳能电池圆极化卫通透明天线的结构示意图，以及图2(a)-图2(c)，该天线自上而下包括：上层微带辐射贴片1、上层介质基板2、空气层3、微带线馈电网络4和下层微带辐射贴片5、下层介质基板6、地面反射贴片7、太阳能电池(硅层)8、以及SMA接头 9；其中，
上层微带辐射贴片1和下层微带辐射贴片5均为方形且由四块组成阵列；其中，上层微带辐射贴片1与下层微带辐射贴片5每一片的中心点的在垂直方向重合，且上层贴片1的尺寸略小于下层贴片5；
上层介质基板2与下层介质基板6通过隔离柱隔出空气层3；
微带线馈电网络4可以进行多种设计，实现多种的天线极化形式，提升天线的多样性和性能；
SMA接头9的探针与微带线馈电网络4连接，地面反射贴片7通过SMA 接头9相连进行馈电。
本实施例中，上层介质基板2与下层介质基板6可采用透明基板材料，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、透明玻璃等制成。在实施例中，该天线采用聚甲基丙烯酸甲酯制成，且其介电常数为3，厚度分别为4mm和2mm(该上下层介质层也可采用工作频段在1980-2200MHz 范围内，具有稳定介电常数的其他透明基板材料，其厚度由天线工作频段及尺寸决定)，该下层介质基板6将馈电网络这层与地隔开，形成谐振腔；上层介质基板2可起到支撑上层辐射贴片的作用；空气层3是为了扩宽频带。
优选地，上层微带辐射贴1、微带线馈电网络4和下层辐射贴片5、地面反射贴片7可采用透明导电材料，例如铟锡氧化物(ITO)薄膜、透明金属网格薄膜、石墨烯薄膜等制成；一具体实施例中，该天线采用透明金属网格薄膜制成，且其透明度超过70％，方阻为0.1Ω/sq，厚度为0.175mm(辐射贴片也可采用透明度较高，方阻较小的其他透明导电材料制成，且其厚度应尽可能小)。
进一步地，本实施例中的太阳能电池圆极化卫通透明天线的工作频率为 1980-2200MHz。
具体地，本实施例中还提供一种制作上述天线的方法：在同介质基板尺寸的两份透明导电膜上，一份制备上层微带辐射贴片，一份制备微带线馈电网络和下层微带辐射贴，辐射贴片制备采用菲林光刻技术，将所需天线图形制作成掩膜版，将光刻胶干膜覆在透明导电膜上，用紫外光曝光。经过显影、刻蚀、祛膜就可得到所需图案；本实施例中该天线的制作需将已制备好的辐射贴片与上层介质基板进行粘合，馈电网络和下层辐射贴片与地面反射贴片分别粘合在下层介质基板的两面。具体地，利用透明导电膜所带的背胶，通过覆膜机挤压进行粘合。再将SMA端口一端与微带线馈电网络端口相连，另一端与地面反射贴片相连。最后通过光学胶将太阳能电池粘合在地面反射贴片上，用紫外灯固化光学胶就制作出太阳能电池圆极化卫通透明天线了。
实施例2
基于实施例1中体现，本实施例中设计了一个太阳能电池圆极化卫通透明天线，采用全波电磁仿真软件对该天线进行了性能仿真，仿真实验结果验证了本发明所提出的采用这种叠层结构的可行性和有效性。
具体地，通过透明导电膜和透明介质板形成：上层辐射贴片、上层介质基板、空气层、微带线馈电网络和下层辐射贴片、下层介质基板、地板、太阳能电池的叠层结构。天线结构部分均采用透明材料具有良好透光性(可达75％)，且可对馈电网络进行设计，实现多种极化方式和高性能的天线。本发明中设计的是一个高增益的双频圆极化天线；获得的天线低频段1980-2010MHz及高频段2170-2200MHz的电压驻波比如图3所示，图中可知，本发明中的天线的电压驻波比在整个频段小于2.2，略大于2，但仍能满足天线的性能；
图4(a)-图4(d)及图5(a)-图5(d)分别为在低频段中心频率f01＝1995MHz 及高频段中心频率f02＝2185MHz时的天线增益及轴比方向图的仿真结果， f01＝1995MHz时天线的最大增益为10.4dBi，f02＝2185MHz时天线的最大增益为 10.3dBi，且低频段和高频段的轴比都小于3dB，这些图表征了该天线的辐射特性和圆极化特性，证明本发明中的太阳能电池圆极化卫通透明天线辐射性能良好，轴比和增益均较好。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，得到的透明天线效果虽然很好但没达到最好，以上实施例可以看出，选用不同的材料在制作过程中会导致工艺参数和最终结果有所不同，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，通过改进工艺的相关参数以及选用不同的材料还可将透明天线的效果做到更好，或者将本发明用于其他器件的制作，这些均在本发明的保护范围之内。
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