CN104167826A - 一种线极化入射电磁波完美接收的无线能量平板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线极化入射电磁波完美接收的无线能量平板。该无线能量平板由至少一个正方形阵列单元重复排列延拓而成，第一导电薄层上刻蚀有四个沿田字形排布的正方形圆极化贴片，其上均刻蚀有一金属过孔，相邻的两个正方形圆极化贴片的金属过孔穿过中间各层与第三导电薄层上的二合一微带线功率合成电路的输入端连接；第三导电薄层上所有二合一微带线功率合成电路的输出端级联组成功率合成网络，将功率合成网络的输出端与高频整流芯片的输入端相连，由高频整流芯片的输出端得到直流电输出。本发明可以实现空间中任意方向线极化入射电磁波能量的有效收集和利用、成本低廉、结构简单。

Description

一种线极化入射电磁波完美接收的无线能量平板

技术领域

本发明涉及一种的无线能量平板，特别是一种线极化入射电磁波完美接收的无线能量平板。

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(如手机基站，无线WIFI网络所产生的电磁波)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线极化入射电磁波完美接收的无线能量平板法，实现对任意方向线极化电磁波的完美接收。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明包括正方形阵列单元，正方形阵列单元从上至下依次为第一导电薄层、第一介质基板层、第二导电薄层、第二介质基板层和第三导电薄层；该无线能量平板由至少一个正方形阵列单元重复排列延拓而成，第一导电薄层上刻蚀有四个沿田字形排布的正方形圆极化贴片，四个沿田字形排布的正方形圆极化贴片中，其中一条对角线方向上的两个正方形圆极化贴片为正方形左旋圆极化贴片，另外一条对角线方向上的两个正方形圆极化贴片为正方形右旋圆极化贴片；

四个正方形圆极化贴片上均刻蚀有一金属过孔，相邻的两个正方形圆极化贴片构成一组，其中的第一金属过孔和第二金属过孔穿过中间各层与第三导电薄层上的二合一微带线功率合成电路的输入端连接；

第三导电薄层上所有二合一微带线功率合成电路的输出端级联组成功率合成网络，将功率合成网络的输出端与高频整流芯片的输入端相连，由高频整流芯片的输出端得到直流电输出。

所述的无线能量平板为长方形或者正方形，由正方形阵列单元沿上、下、左、右方向间隔等距延拓而成。

所述的正方形圆极化贴片中，沿其中一对角线方向的两个角作切角，并且四角上均开有沿中心方向的槽。

所述的正方形左旋圆极化贴片和正方形右旋圆极化贴片分别接收线极化波中的左旋圆极化分量和右旋圆极化分量。

所述的无线能量平板接收任意方向线极化入射的电磁波。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

1)基于电磁波完美接收原理的无线能量接收平板可以在任意方向线极化电磁波的入射条件下工作，与现有的线极化无线能量平板或者接收天线阵列相比相比不需考虑极化匹配。

2)设计结构简单，厚度薄(只需4mm)，只有工作电磁波波长的三十分之一，所用材料均为常见材料，造价低廉。

3)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，进而可延长设备的工作持续时间，解决无线设备续航时间有限的问题。

4)采用功率合成网络后，只需一个高频整流芯片即可，降低成本，提高整流效率。

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是正方形阵列单元的三维结构示意图。

图2是正方形阵列单元正面示意图。

图3是正方形阵列单元反面示意图。

图4是本发明实施例的无线能量平板正面示意图。

图5是本发明实施例的无线能量平板反面示意图。

图中：1.第一导电薄层，2.第一介质基板层，3.第二导电薄层，4.第二介质基板层，5.第三导电薄层，6.正方形阵列单元，7.正方形左旋圆极化贴片，8.正方形右旋圆极化贴片，9.第一金属过孔，10.第二属过孔，11.二合一微带线功率合成电路，12.功率合成网络，13.高频整流芯片。

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所示，本发明包括正方形阵列单元6，正方形阵列单元6从上至下依次为第一导电薄层1、第一介质基板层2、第二导电薄层3、第二介质基板层4和第三导电薄层5。

如图1、图2所示，该无线能量平板由至少一个正方形阵列单元6重复排列延拓而成，第一导电薄层1上刻蚀有四个沿田字形排布的正方形圆极化贴片，四个沿田字形排布的正方形圆极化贴片中，其中一条对角线方向上的两个正方形圆极化贴片为正方形左旋圆极化贴片7，另外一条对角线方向上的两个正方形圆极化贴片为正方形右旋圆极化贴片8；如图2、图3所示，四个正方形圆极化贴片上均刻蚀有一金属过孔，第三导电薄层5上设有二合一微带线功率合成电路11，相邻的两个正方形圆极化贴片(包括一正方形左旋圆极化贴片7和一正方形右旋圆极化贴片8)构成一组，相邻的两个正方形圆极化的金属过孔分别为第一金属过孔9和第二金属过孔10，其中的第一金属过孔9和第二金属过孔10穿过中间各层(第一介质基板层2、第二导电薄层3、第二介质基板层4和第三导电薄层5)与第三导电薄层5上的二合一微带线功率合成电路11的输入端连接；第三导电薄层5上所有二合一微带线功率合成电路11的输出端级联组成功率合成网络12，将功率合成网络12的输出端与高频整流芯片13的输入端相连，由高频整流芯片13的输出端得到直流电输出。

如图4、图5所示，无线能量平板为长方形或者正方形，由正方形阵列单元6沿上、下、左、右方向间隔等距延拓而成。

正方形圆极化贴片中，沿其中一对角线方向的两个角作切角，并且四角上均开有沿正方形圆极化贴片中心方向的槽。

正方形左旋圆极化贴片7和正方形右旋圆极化贴片8分别接收线极化波中的左旋圆极化分量和右旋圆极化分量。

本发明的无线能量平板接收任意方向线极化入射的电磁波。

本发明正方形阵列单元为次波长谐振结构。

本发明基于任意线极化电磁波都可以分解为一个左旋圆极化电磁波和一个右旋圆极化电磁波的原理，设计带有开槽和切角的次波长正方形左旋圆极化贴片和带有开槽和切角的次波长正方形右旋圆极化贴片分别接收线极化波中的左旋圆极化分量和右旋圆极化分量。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与真空环境的完美匹配，从而实现电磁波能量的完美接收。将很多个正方形阵列单元周期排列，组成大面积的电磁波能量接收表面，再通过二合一微带线功率合成电路级联组成功率合成网络，将合成后的电磁波能量经过高频整流电路后转化成直流能量输出。

正方形阵列单元的示意图如图1、图2、图3所示，通过对正方形金属贴片的±45°两条对角线上开长方形槽和+45°对角线上切角得到正方形左旋圆极化贴片7；通过对正方形金属贴片的±45°两条对角线上开长方形槽和﹣45°对角线上切角得到正方形右旋圆极化贴片8。再将正方形左旋圆极化贴片和正方形右旋圆极化贴片分别沿﹣45°和+45°对角线排列得到正方形阵列单元6。当空气中的线极化电磁波辐射到正方形单元阵列6时，线极化电磁波中的左旋圆极化电磁波分量在次波长正方形左旋圆极化贴片中同时激励起电谐振和磁谐振，实现次波长正方形左旋圆极化贴片7的等效电路与真空环境的完美匹配，左旋圆极化电磁波分量被吸收进来并通过第一金属通孔9传递。同理线极化电磁波中的右旋圆极化电磁波分量在次波长正方形右旋圆极化贴片中同时激励起电谐振和磁谐振，实现次波长正方形右旋圆极化贴片8的等效电路与真空环境的完美匹配，右旋圆极化电磁波分量被吸收进来并通过第二金属通孔10传递。金属过孔9、10与位于第三导电薄层5上的二合一微带线功率合成电路11的输入端相连，进行左旋圆极化电磁波分量和右旋圆极化电磁波分量的功率合成。

本发明的电磁波完美接收的原理如下：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ε(ω)和相对磁导率μ(ω)可以表示为：

ε(ω)＝ε₁(ω)+iε₂(ω)和μ(ω)＝μ₁(ω)+iμ₂(ω)

其中，ω为角频率，ε₁(ω)为该等效介质相对介电常数的实部，ε₂(ω)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μ₁(ω)为该等效介质相对介电常数的实部，μ₂(ω)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得到：

ε(ω)＝ε₁(ω)+iε₂(ω)＝μ(ω)＝μ₁(ω)+iμ₂(ω)

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ε₂(ω)和μ₂(ω)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。

本发明的实施例如下：

具体实施中，每个带有开槽和切角的正方形左旋圆极化贴片7和带有开槽和切角的正方形右旋圆极化贴片8的长度和宽度均为22.4mm，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、第一介质基板层2、第二导电薄层3、第二介质基板层4和第三导电薄层5；第一、第二、第三导电薄层的厚度均为0.035mm，第一介质基板层的厚度为1.9mm，相对介电常数为4.3，相对磁导率为1，第二介质基板层的厚度为2mm，相对介电常数为4.3，相对磁导率为1。

本实例的正反面效果图如图4、图5所示，两个金属过孔9、10与位于第三导电薄层5上的二合一微带线功率合成电路11的输入端相连，进行左旋圆极化电磁波分量和右旋圆极化电磁波分量的功率合成。再与相邻的二合一微带线功率合成电路11级联组成功率合成网络12，将功率合成网络12的输出端与高频整流芯片13的输入端相连，在高频整流芯片13的输出端得到直流电输出。高频整流芯片13为安华高公司的hsms系列，例如2820的型号，但不限于此。

本发明介绍的结构工作频率为2.45GHz，即工作波长为122mm，而本材料的厚度仅为4mm，即仅相当于工作波长的三十分之一的厚度，经微波仿真实验得到电磁波的接收效率为99.92％，可以说是完美电磁波能量接收材料。

本发明的工作频率为2.45GHz，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2.45GHz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。而且本方法还可以用于接收天线阵列的设计。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 (5)

1. 一种线极化入射电磁波完美接收的无线能量平板，包括正方形阵列单元（6），正方形阵列单元（6）从上至下依次为第一导电薄层（1）、第一介质基板层（2）、第二导电薄层（3）、第二介质基板层（4）和第三导电薄层（5）；其特征在于：

该无线能量平板由至少一个正方形阵列单元（6）重复排列延拓而成，第一导电薄层（1）上刻蚀有四个沿田字形排布的正方形圆极化贴片，四个沿田字形排布的正方形圆极化贴片中，其中一条对角线方向上的两个正方形圆极化贴片为正方形左旋圆极化贴片（7），另外一条对角线方向上的两个正方形圆极化贴片为正方形右旋圆极化贴片（8）；四个正方形圆极化贴片上均刻蚀有一金属过孔，相邻的两个正方形圆极化贴片构成一组，其中的第一金属过孔（9）和第二金属过孔（10）穿过中间各层与第三导电薄层（5）上的二合一微带线功率合成电路（11）的输入端连接；第三导电薄层（5）上所有二合一微带线功率合成电路（11）的输出端级联组成功率合成网络（12），将功率合成网络（12）的输出端与高频整流芯片（13）的输入端相连，由高频整流芯片（13）的输出端得到直流电输出。

2. 根据权利要求1所述的一种线极化入射电磁波完美接收的无线能量平板，其特征在于：所述的无线能量平板为长方形或者正方形，由正方形阵列单元（6）沿上、下、左、右方向间隔等距延拓而成。

3. 根据权利要求1所述的一种线极化入射电磁波完美接收的无线能量平板，其特征在于：所述的正方形圆极化贴片中，沿其中一对角线方向的两个角作切角，并且四角上均开有沿中心方向的槽。

4. 根据权利要求1所述的一种线极化入射电磁波完美接收的无线能量平板，其特征在于：所述的正方形左旋圆极化贴片（7）和正方形右旋圆极化贴片（8）分别接收线极化波中的左旋圆极化分量和右旋圆极化分量。

5. 根据权利要求1所述的一种线极化入射电磁波完美接收的无线能量平板，其特征在于：所述的无线能量平板接收任意方向线极化入射的电磁波。