一种用于机器人携能通信的柔性超表面集成天线

1.本发明属于通信设施技术领域，尤其涉及一种用于机器人携能通信的柔性超表面集成天线。


背景技术：

2.当前绿色、智能通信的需求，以及无线信息技术的深入渗透，多智能体要求协同工作，并应用于机器人等各个领域。近年来，波士顿双足机器人atlas跑酷视频备受关注，引起了人们对机器人新设计方法的探究热潮。然而，通常机器人受自带电池容量限制，其持续工作时间一般为1到2小时，复杂运动需联合各机械结构，需要解决供能以及多驱动器协同工作的问题。其中携能通信(swipt)技术引起了研究者们的注意，其概念最早于2008年提出，主要采用携能通信天线进行同时的空间电磁能量收集以及无线通信，包含多种设计类型。
3.使用天线传能，存在天线表面积与传能功率之间的矛盾。在这种情况下，设计包裹于机器人机械表面的柔性超表面天线成为选择。就传能来说，主要分为感应式和磁耦合谐振式的无线传能，其在消费级电子产品与汽车无线充电领域应用较多，其中的微波传能面临难以实现中远距离的传能，以及传能效率问题。要实现高效、实用的无线传能以及通信，需要探索天线与应用环境的共存关系，以及兼顾系统效率、复杂度、成本等，一般希望所使用的swipt天线是宽角度接收、极化自由/不敏感。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的在于提供一种用于机器人携能通信的柔性超表面集成天线，旨在解决上述背景技术中所提出的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明通过集成超表面及贴片天线结构，设计了一种用于机器人携能通信的柔性超表面集成天线。
6.本发明实施例是这样实现的，一种用于机器人携能通信的柔性超表面集成天线，该超表面集成天线采用两端口及相应馈电网络，一个端口对应电磁能量收集，采用超表面结构；另一端口对应边射、端射通信，工作于不同频带；超表面单元联合层叠互补开口环槽、工形槽结构；端射通信借用vivaldi辐射结构，边射依据大、小折叠半圆形开口环结构；柔性超表面集成天线覆于机器人机械部件表面，通过天线两输入端口、分别进行无线能量收集与通信。
7.进一步的，所述超表面单元的层叠互补开口环槽上开口环槽位于顶层、下开口环槽位于中间层地板，工形槽位于上开口环槽内，互补开口环槽中心对准，工形槽、上开口环槽中心对准，下开口环槽宽度大于上开口环槽宽度。
8.进一步的，所述超表面结构的馈电网络采用阶梯形合路器、条形微带馈线结构，条形馈线延伸至上开口环开口处；
9.进一步的，所述两馈电端口采用sma接口，其内导体连接底层馈线，外导体穿过柔性基板连接中间层金属结构。
10.进一步的，所述无线通信功能的边射辐射结构的大、小两个半圆形折叠开口环谐振器面对面放置在顶层，它们的两平行直条带对准vivaldi结构的两辐射槽中心线，而位于辐射槽较窄缝隙附近。
11.进一步的，无线通信功能的边射、端射辐射结构共用位于底面的馈电结构，其采用探针底馈联合微带线，分两个支路，一个支路激励vivaldi，另一支路呈开路状态。
12.进一步的，所述柔性天线介质基板采用pdms、polyimide材料。
13.进一步的，所述柔性超表面天线覆于机器人的机械表面，如手臂、足、腿臂、腰部，每个驱动器对应于一个带有柔性超表面集成天线进行供能及无线通信。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：第一，本发明所设计的柔性超表面集成天线，采用两端口、多频带工作方式以及双层结构，将多功能集成于紧凑的天线结构中，其柔性基板结构便于共形设计。第二，本发明利用设计的一种柔性超表面集成天线，用于机器人携能通信设计，可以进行同时的电磁能量收集以及宽角度范围的无线通信，广泛收集当前的环境中的电磁能量，进行绿色通信、协同控制。
附图说明
15.图1为本发明的柔性超表面集成天线三维结构图。
16.图2为本发明的柔性超表面集成天线顶层结构图。
17.图3为本发明的柔性超表面集成天线中间层结构图。
18.图4为本发明的柔性超表面集成天线底层结构图。
19.图5为本发明的柔性超表面集成天线侧视图。
20.图6为本发明的柔性超表面集成天线的仿真|s
11
|、|s
22
|曲线。
21.图7(a)为本发明的柔性超表面集成天线在第一工作频带中仿真的phi＝90
°
平面辐射方向图。
22.图7(b)为本发明的柔性超表面集成天线在第二工作频带中仿真的phi＝90
°
平面辐射方向图。
23.图7(c)为本发明的柔性超表面集成天线在第三工作频带中仿真的phi＝90
°
平面辐射方向图。
24.图8为本发明的柔性超表面集成天线覆于机器人表面工作示意图。
25.附图中：
26.1为上开口环槽；2为下开口环槽；3为工形槽；4为无线能量收集超表面天线中间层地板；5为无线通信端射天线中间层vivaldi辐射槽；6为无线通信边射天线小半圆形折叠开口环；7为无线通信边射天线大半圆形折叠开口环；8为端口
②
的微带馈电结构；9为端口
①
的阶梯形合路器；10为端口
①
的条形微带馈线；11为天线馈电端口
①
；12为天线馈电端口
②
；13为机器人机械表面。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
28.以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
29.如图1所示，一种用于机器人携能通信的柔性超表面集成天线，所述超表面集成天线采用两端口，一个端口对应电磁能量收集，采用超表面结构；另一端口对应边射、端射通信，工作于不同频带；柔性超表面集成天线覆于机器人表面，通过两输入端口分别进行无线能量收集与通信。
30.具体的，所述的柔性超表面集成天线采用双层柔性材料结构，将能量收集超表面与通信功能结构分开设计，分别对应天线馈电端口
①
11、天线馈电端口
②
12，超表面单元为层叠互补的上开口环槽1、下开口环槽2和工形槽3结构；端射采用无线通信端射天线中间层vivaldi辐射槽5，边射采用两半圆形折叠开口环谐振器6、7，两者共用相同馈电结构，产生不同频带。
31.作为优选，在本发明实施例中，所述双层柔性天线的基板材料为polyimide，厚度均为1.5mm，基板平面尺寸300mm
×
200mm。
32.图2为天线的顶层视图，图3为天线的中间层视图，图4为天线的底层视图。超表面由5
×
3阵列排布的超表面单元构成，每个超表面单元包含三层结构分布于两层柔性介质基板之上。顶层为上开环槽1和工形槽3，工形槽3由上开口环槽1包围着。中间层为地板4，地板4相应于上开口环槽1位置蚀刻对应的下互补开口环槽2。底层为带合路功能的馈电网络，由sma探针底馈，其内导体连接馈线，外导体穿过基板连接中间层的地板。馈电网络主要由阶梯形合路器10和条形微带馈线9构成。馈电网络微带线9末端终止于上开口环槽1开口处。这样的层叠互补开口环槽1、2结构，联合工形槽3结构，将电磁能传递至底层对应的微带馈线末端。最终经合路器汇聚于天线馈电端口
①
11。
33.图2、图3、图4中所示无线通信天线，包含两种辐射单元，分别对应于边射、端射辐射。边射单元为两个面对面放置的大7、小6半圆形折叠开口环，两个开口环尺寸接近，其两平行条带平行于中间层vivaldi辐射槽的中心线，且位于vivaldi窄辐射槽区域上方。两折叠环6、7受底层vivaldi辐射槽5耦合激励，发生谐振，产生边射辐射，对应于天线馈电端口
②
12的高频带。
34.进一步的，在本发明实施例中，所述端射单元为经典vivaldi结构5，位于中间层。底层为探针底馈的微带馈电网络，其内导体连接馈线，外导体穿过基板连接中间层vivaldi辐射结构，内导体连接的微带线分两个支路，一个支路为经典vivaldi天线馈线结构，另一支路为开口微带线。
35.表1本发明天线各参数尺寸表
[0036][0037][0038]
图6为仿真的天线的|s
11
|、|s
22
|参数，分别对应天线馈电端口
①
11、天线馈电端口
②
12。天线馈电端口
①
11的能量收集频带主要在3.43ghz附近，其|s
11
|曲线在该频点出现波谷点。天线馈电端口
②
12的端射频带在1.594ghz附近，边射频带在3.128ghz附近。反射系数|s
11
|、|s
22
|中其他谐振频点可进一步通过调结构消除或合并产生宽带。
[0039]
图7(a)、图7(b)、图7(c)为仿真的天线在3个频点1.594ghz、3.128ghz、3.43ghz处phi＝90
°
平面的辐射方向图。其中1.594ghz频点的端射增益可达11.5dbi，3.128频点的边射增益可达-1.65dbi，3.43ghz频点的能量收集增益达-0.65dbi。
[0040]
图8为所设计的柔性超表面集成天线覆于机器人表面的工作示意图。用于机器人时，该圆柱形结构13对应机器人的手、腿、足、腰等部位。
[0041]
进一步的，在本发明实施例中，所述柔性超表面集成天线覆于机器人关节部件13上，对各驱动器独立供能；驱动器之间借助天线的端射、边射辐射，在宽角度范围内相互之间进行通信，协同控制机器人的机械运动。
[0042]
本发明提供了一种柔性超表面集成天线用于机器人携能通信设计，利用双层柔性材料，可同时进行电磁能量收集与无线通信，对推动绿色通信的应用具有重要参考意义。
[0043]
根据需要超表面单元数可根据需要进行扩展，可以将多个上述这样的柔性超表面集成天线组合，实现更高性能的携能通信。
[0044]
本发明的能量收集超表面单元采用层叠互补开口环环槽与工形槽联合设计，端射、边射通信辐射借助vivaldi结构和两半圆形折叠开口环，有利于天线保持结构紧凑及高隔离度集成。馈线位于底层连接sma接口内导体，外导体穿过基板连接中间层金属，利用电磁耦合激励辐射结构。以上设计方法，天线柔性基板内几乎没有垂直金属结构，便于天线的弯曲共形。
[0045]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限
于特定的细节和这里示出与描述的图例。

技术特征：
1.一种用于机器人携能通信的柔性超表面集成天线，其特征在于：所述超表面集成天线采用两端口及相应馈电网络，一个端口对应电磁能量收集，采用超表面结构；另一端口对应边射、端射通信，工作于不同频带；所述超表面单元联合层叠互补开口环槽、工形槽结构；所述端射通信借用vivaldi辐射结构，边射依据大、小折叠半圆形开口环结构；所述柔性超表面集成天线覆于机器人机械部件表面，通过天线两输入端口、分别进行无线能量收集与通信。2.根据权利要求1所述的用于机器人携能通信的柔性超表面集成天线，其特征在于，所述超表面单元的层叠互补开口环槽上开口环槽位于顶层、下开口环槽位于中间层地板，工形槽位于上开口环槽内，互补开口环槽中心对准，工形槽、上开口环槽中心对准，下开口环槽宽度大于上开口环槽宽度。3.根据权利要求2所述的用于机器人携能通信的柔性超表面集成天线，其特征在于，所述超表面结构的馈电网络采用阶梯形合路器、条形微带馈线结构，条形馈线延伸至上开口环开口处。4.根据权利要求3所述的用于机器人携能通信的柔性超表面集成天线，其特征在于，馈电端口采用sma接口，其内导体连接底层馈线，外导体穿过柔性基板连接中间层金属结构。5.根据权利要求4所述的用于机器人携能通信的柔性超表面集成天线，其特征在于，所述无线通信功能的边射辐射结构的大、小两个半圆形折叠开口环谐振器面对面放置在顶层，它们的两平行直条带对准vivaldi结构的两辐射槽中心线。6.根据权利要求5所述的用于机器人携能通信的柔性超表面集成天线，其特征在于，无线通信功能的边射、端射辐射结构共用位于底面的馈电结构，其采用探针底馈联合微带线，分两个支路，一个支路激励vivaldi，另一支路呈开路状态。7.根据权利要求6所述的用于机器人携能通信的柔性超表面集成天线，其特征在于，所述柔性天线介质基板采用pdms、polyimide材料。8.根据权利要求7所述的用于机器人携能通信的柔性超表面集成天线，其特征在于，所述柔性超表面天线覆于机器人的机械表面，所述机器人的机械表面可以是手臂、足、腿臂、腰部，每个驱动器对应于一个带有柔性超表面集成天线进行供能及无线通信。

技术总结
本发明公开了一种用于机器人携能通信的柔性超表面集成天线，该柔性超表面集成天线兼具无线能量收集及通信功能，为双层柔性衬底结构，其带有两个输入端口，一个端口用于无线能量收集，另一端口用于不同频带的边射和端射无线通信。无线能量收集借助超表面天线，其超表面单元，顶层采用开口环槽及工形槽联合结构，中间层为嵌入互补开口环槽的地板，底层为兼馈电、合路功能的馈电网络；无线通信天线端射采用Vivaldi结构，位于中间层，边射为受Vivaldi近场耦合激励的置于顶层的面对面放置的两半圆形折叠开口环，其位于Vivaldi两辐射臂中轴上方。所述柔性超表面集成天线覆于机器人手、足臂、腰等机械部件表面，用于各驱动器的供能与通信控制。与通信控制。与通信控制。


技术研发人员：郭李 张璐 李俊峰 肖益三
受保护的技术使用者：湘潭大学
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/4