CN103337915A

CN103337915A - 一种电磁波能量完美接收的柔性材料

Info

Publication number: CN103337915A
Application number: CN2013102383437A
Authority: CN
Inventors: 王嵘; 叶德信; 冉立新
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2013-06-17
Publication date: 2013-10-02

Abstract

本发明公开一种电磁波能量完美接收的柔性材料。从上至下依次包括第一导电薄层、第一软质基板层、第二导电薄层、第二软质基板层和第三导电薄层组成次波长谐振结构；第一导电薄层上刻蚀有多个中间开有对角线缝隙的正方形和与正方形四边相连的T型组成的正方形双极化结构，该相同的双极化结构在第一导电薄层上延上、下、左、右方向间隔等距延拓，对角线缝隙两边分别与高频整流芯片的输入接口相连作为输入端；第三导电薄层上的薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容的两端经过过孔分别与高频整流芯片的输出端相连作为输出端，并组成直流并联供电网络。本发明可以实现空间中电磁波能量的有效收集与利用，成本低廉、结构简单，可伸展性好，易于共形。

Description

一种电磁波能量完美接收的柔性材料

技术领域

本发明涉及一种电磁波能量接收材料，特别是涉及一种电磁波能量完美接收的柔性材料。

背景技术

能量接收是指将外部的能量，如太阳能、热能、风能等捕获、存储的过程。收集的能量能为小功率的电子产品的工作提供能量。相较于煤炭、石油等主要供能来源，能量接收技术是将生活中的许多废弃能量源如周围环境中的无线电波、风能、热能等加以利用，不仅十分环保而且具有可持续性。

自上世纪50年代以来，伴随着新材料、无线电技术、微电子技术的发展，电脑、手机、数码相机等各种电子产品极大地丰富和方便了人们的生活，各种各样的无线电传感设备大量出现，但在动力能源方面，依然采用传统的供能方式，即化学能电池提供能量，但需要经常更换或充电。未来的应用对电子产品，特别是可以随身携带的无线设备在远离充电电源时的续航能力提出了更高的要求，如何延长设备的工作持续时间正成为现在的一个研究热点。目前许多技术已经开发出来用于克服无线设备续航时间有限的问题。其中，作为能量接收技术的一种，电磁波能量接收技术能将周围空气中的电磁波吸收并将其能量转化为直流电能，直接实现对小功率电子设备的供电。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁波能量完美接收的柔性材料。利用电磁波在次波长谐振结构中同时发生电谐振和磁谐振的特性，使得其谐振时的等效电路可以实现高频整流电路与真空环境的完美匹配，从而实现电磁波能量的完美接收。通过高频整流电路将所接收到的电磁波能量整流转化成直流能量输出。将很多个次波长谐振结构单元周期排列，组成大面积的电磁波能量接收表面，并将每个单元的正负极输出端以并联的形式连接，组成一个供电网络，网络输出端接到电子设备上以实现供电。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

所述的电磁波能量完美接收的柔性材料从上至下依次主要包括第一导电薄层、第一软质基板层、第二导电薄层、第二软质基板层和第三导电薄层组成次波长谐振结构；第一导电薄层上刻蚀有多个中间开有对角线缝隙的正方形和与正方形四边相连的T型组成的正方形双极化结构，该相同的双极化结构在第一导电薄层上延上、下、左、右方向间隔等距延拓，对角线缝隙两边分别与高频整流芯片的输入接口相连，作为高频整流电路的输入端；第三导电薄层下面固定有与正方形双极化结构相同个数的薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容，该薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容在第三导电薄层上延上、下、左、右方向间隔等距延拓，位于各自对角线缝隙的正方形正下方；薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容的两端经过过孔分别与高频整流芯片的输出端相连，作为高频整流电路的输出端；每个薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容的一个引脚通过过孔与第二导电薄层相连，另一个引脚通过各自第一金属丝与自己所在列的薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容的引脚相连，通过第二金属丝与所有行的薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容的引脚相连，组成并联供电网络。

所述的正方形双极化结构的长度小于1/4工作电磁波波长。

所述的第一导电薄层、第二导电薄层和第三导电薄层的材料均为金属纤维或导电油墨编织印刷而成。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

1）电磁波能量完美接收的柔性材料由导电薄层、软质基板等材料构成，可伸展性良好，易于与人体共形，方便穿戴。能根据人们的日常需要做成衣服、帐篷、遮阳伞等形式，在增大微波能量的接收面积的同时，还能减轻重量，便于携带。能随时随地吸收空气中的电磁波，并将其能量转化为电能，为手机、随身听等电子产品供电。

2）设计结构简单，厚度薄（只需3.805mm），只有工作电磁波波长的三十二分之一，所用材料均为常见材料，造价低廉。

3）匹配性能极好，经过实例仿真验证，在工作频率上的反射系数为-34dB，能量吸收率为99%。

4）结构多变，可以针对不同电磁波环境设计不同的形状和大小，每一种形状都可以实现电磁波能量的高效吸收。

本发明可广泛用于当今各种频段的电磁波能量接收转化研发等应用领域。

附图说明

图1次波长谐振结构单元侧面示意图。

图2次波长谐振结构单元正面示意图。

图3次波长谐振结构单元反面示意图。

图4电磁波能量完美接收的柔性材料正面示意图。

图5电磁波能量完美接收的柔性材料反面示意图。

图中：1.第一导电薄层， 2. 第一软质基板层，3.第二导电薄层，4. 第二软质基板层， 5.第三导电薄层，6. 正方形双极化结构，7.高频整流芯片，8. 薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容，9、10. 薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容的引脚，11.第一金属丝，12. 第二金属丝，13.电子产品。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，电磁波能量完美接收的柔性材料从上至下依次主要包括第一导电薄层1、第一软质基板层2、第二导电薄层3、第二软质基板层4和第三导电薄层5组成次波长谐振结构；第一导电薄层1上刻蚀有多个中间开有对角线缝隙的正方形和与正方形四边相连的T型组成的正方形双极化结构6，该相同的双极化结构在第一导电薄层1上延上、下、左、右方向间隔等距延拓，对角线缝隙两边分别与高频整流芯片7的输入接口相连，作为高频整流电路的输入端；第三导电薄层5下面固定有与正方形双极化结构相同个数的薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容8，该薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容8在第三导电薄层5上延上、下、左、右方向间隔等距延拓，位于各自对角线缝隙的正方形正下方；薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容8的两端经过过孔分别与高频整流芯片7的输出端相连，作为高频整流电路的输出端；每个薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容8的一个引脚9通过过孔与第二导电薄层3相连，另一个引脚10通过各自第一金属丝11与自己所在列的薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容8的引脚10相连，通过第二金属丝12与所有行的薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容8的引脚10相连，组成并联供电网络，为电子设备13供电。

所述的正方形双极化结构的长度小于1/4工作电磁波波长。

所述的第一导电薄层1、第二导电薄层3和第三导电薄层5的材料均为金属纤维或导电油墨编织印刷而成。

本发明提供的次波长谐振结构单元实例示意图如图1、图2、图3所示，当空气中电磁波辐射到次波长谐振结构单元上时，次波长谐振结构同时出现电谐振和磁谐振，将电磁波的能量吸收并在高频整流芯片7的两端口形成强信号。经过高频整流芯片7的整流后会在芯片的另外两个输出端口输出直流信号，并经薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容8滤波后在其正负极输出直流能量。

每个次波长谐振结构单元的长度和宽度均为30mm，共有五层材料组成。从上至下依次主要包括第一导电薄层1、第一软质基板层2、第二导电薄层3、第二软质基板层4和第三导电薄层5组成次波长谐振结构；第一、第二、第三导电薄层的厚度均为0.035mm，第一软质基板层的厚度为3.6mm，相对介电常数为4.5，相对磁导率为1，第二软质基板层的厚度为0.1mm，相对介电常数为4.5，相对磁导率为1。第一导电薄层1上刻蚀有多个中间开有对角线缝隙的正方形和与正方形四边相连的T型组成的正方形双极化结构6，对角线缝隙宽度为0.8mm,中间正方形的边长为6mm，T型枝节长和高均为10mm，宽度为1mm。该相同的双极化结构在第一导电薄层1上延上、下、左、右方向以4mm为间隔等距延拓，对角线缝隙两边分别与高频整流芯片7的输入接口相连，作为高频整流电路的输入端；第三导电薄层5下面固定有与正方形双极化结构相同个数的薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容8，电容容值为10pF，该薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容8在第三导电薄层5上延上、下、左、右方向间隔等距延拓，位于各自对角线缝隙的正方形正下方；薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容8的两端经过过孔分别与高频整流芯片7的输出端相连，作为高频整流电路的输出端；每个薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容8的一个引脚9通过过孔与第二导电薄层3相连，另一个引脚10通过各自第一金属丝11与自己所在列的薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容8的引脚10相连，通过第二金属丝12与所有行的薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容8的引脚10相连，组成并联供电网络，电子设备13的一个引脚与第二金属丝12相连，另一个引脚通过过孔与第二导电薄层3相连，从而实现电子设备13的供电。

电磁波完美吸收的原理：当电磁波能量完美接收的柔性材料工作时，入射到次波长谐振结构单元上的电磁波会在第一导电薄层与第二层导电薄层的联合作用下产生电谐振和磁谐振，形成所需的等效电路结构。由于该次波长谐振单元的尺寸不到工作波长的1/4, 使得该金属单元结构可以等效为均匀介质。其等效的相对介电常数和相对磁导率可以表示为：和，其中

为角频率，为该等效介质相对介电常数的实部，为该等效介质相对介电常数的虚部（虚部越大表示介质吸波效率越高。）. 同理为该等效介质相对介电常数的实部，为该等效介质相对介电常数的虚部（虚部越大表示介质吸波效率越高。）。适当改变正方形双极化结构的尺寸大小、开槽缝隙的宽度，可以使得该介质的介质，即相对介电常数的实部与相对磁导率相等，这样就实现了与空气的阻抗完全匹配，形成完美匹配零反射。而同时由于高频滤波芯片的存在，会将绝大部分交流信号吸收，转化成零频直流信号，即此时该等效介质的虚部即和会很大，表明极高的微波能量吸收效率。每一个单元都能独自组成一个直流供电源。将很多个单元周期排列，并且将每个单元输出端的正负极通过并联网络连接即可实现高电流直流供电源，这样就将电磁波交流信号能量转化成直流电源。

本实例中的电磁波能量完美接收的柔性材料正反面效果图如图4、图5所示，本发明介绍的结构工作频率为2.4GHz，即工作波长为125mm，而本材料的厚度仅为3.805mm，即仅相当于工作波长的三十二分之一的厚度，可以说是完美电磁波能量接收材料。根据仿真结果显示，在工作频带中心，每个结构单元反射系数仅为-34dB，几乎完美吸收转化,并且由于材料本身损耗极小，因此能量吸收效果将近99%。

本发明的工作频率为2.4GHz，如果要工作在其他频率，需要根据工作波长比例调整次波长谐振结构单元的尺寸。

以上所述，仅是本发明的在2.4GHz特定频率的较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限定。任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电磁波能量完美接收的柔性材料，其特征在于：该柔性材料从上至下依次主要包括第一导电薄层（1）、第一软质基板层（2）、第二导电薄层（3）、第二软质基板层（4）和第三导电薄层（5）组成次波长谐振结构；第一导电薄层（1）上刻蚀有多个中间开有对角线缝隙的正方形和与正方形四边相连的T型组成的正方形双极化结构（6），该相同的双极化结构在第一导电薄层（1）上延上、下、左、右方向间隔等距延拓，对角线缝隙两边分别与高频整流芯片（7）的输入接口相连，作为高频整流电路的输入端；第三导电薄层（5）下面固定有与正方形双极化结构相同个数的薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容（8），该薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容（8）在第三导电薄层（5）上延上、下、左、右方向间隔等距延拓，位于各自对角线缝隙的正方形正下方；薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容（8）的两端经过过孔分别与高频整流芯片（7）的输出端相连，作为高频整流电路的输出端；每个薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容（8）的一个引脚（9）通过过孔与第二导电薄层（3）相连，另一个引脚（10）通过各自第一金属丝（11）与自己所在列的薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容（8）的引脚（10）相连，通过第二金属丝（12）与所有行的薄膜高频滤波电容或贴片高频滤波电容（8）的引脚（10）相连，组成并联供电网络。

2.根据权利要求1所述的一种电磁波能量完美接收的柔性材料，其特征在于：所述的正方形双极化结构的长度小于1/4工作电磁波波长。

3.根据权利要求1所述的一种电磁波能量完美接收的柔性材料，其特征在于：所述的第一导电薄层（1）、第二导电薄层（3）和第三导电薄层（5）的材料均为金属纤维或导电油墨编织印刷而成。