CN105071555A - 一种微波能量接收板 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微波能量接收板，包括正方形结构的次波长谐振结构单元；所述次波长谐振结构单元包括，次波长谐振结构及与其相连的高频整流电路；所述次波长谐振结构从上到下包括，顶层金属层，绝缘支撑介质层和接地金属层。所述顶层金属层为正方形结构，每一边的中间位置设置有向顶层金属层中心延伸的长条形缺口，共四个长条形缺口；所述四个长条形缺口的宽度相等；其中相对的两个长条形缺口长度相等构成一组长条形缺口；两组长条形缺口中，其中一组长条形缺口长度大于另外一组长条形缺口长度。不仅实现了空间环境与整流电路的完美匹配，而且多个单元之间结构紧凑，可等效为均匀媒质的完美能量接收板，使得整体接收效率超过90%。
Description
技术领域
本发明涉及无线能量接收领域，特别是涉及一种利用次波长谐振单元构成的圆极化微波能量接收板。
背景技术
微波能量传输技术是指以自由空间为传播媒介将能量直接从发射端传送到接收端的一种非接触的方式微波能量传输技术，由于微波能量传输技术在S波段和C波段的传输效率一般在90％以上，而且微波波束的强度和方向较容易控制，使得微波能量传输技术在国际、国内上受到越来越多的关注，尤其是近几年得到了充分的发展，在雷达系统以及无线微波能量传输方面都有广阔的应用前景。
自从十七世纪末特斯拉实验验证了赫兹用无线电传播能量的理论，近代微波能量传输技术得到了高速发展。上世纪7O年代对于能源危机的认识，促使美国、日本等经济大国开始太阳能研究计划，极大推进了无线微波能量传输与转化技术的进步。而且随着微波通信的迅猛发展，在上世纪8O年代左右国际研究组提出高空长期作业通信接力平台的设想，这是现在临近空间飞行器的雏形，而微波能量传输技术是这个平台获取能量的主要方式。90年代开始，微波能量传输技术在低功率、近距离应用得到关注，被称作微系统的“虚拟电池”，不仅可以减小了能量使用者的体积和重量，而且可以终身供能。在国内，也有多个研究小组对微波能量传输系统的关键技术做了比较系统和深入的探索，首先实现了对管道机器人的微波输能。
微波能量传输系统涉及到微波的多个研究领域，包括微波功率发生器、空间功率合成、波束控制、接收天线、微波整流电路、整流天线组阵技术等，以及为了提高整体转换效率各个部分的有机结合。每一个环节都对微波能量传输效率起着至关重要的作用。尤其是接收天线效率以及微波整流效率(即整流天线的效率)极大影响着微波能量传输系统的效率，而传统的整流天线由于不匹配或者能量转化效率低等不足制约着微波能量传输系统的快速发展。
因此，整流天线是当前微波能量传输系统的关键技术，他主要由两部分组成，第一部分微波接收天线，第二部分是二极管整流电路。目前国际较好的整流天线是双馈圆形铁片天线，在高功率输入情况下，转化效果达到81％。另外也有些项目组研究了整流天线阵列，试图提高接收能量，但是相比较单个单元天线的接收效率，总体能量转换效率更低，而且由于考虑到尺寸、体积因素，整流天线阵要求设计得更紧凑，但是由于普通天线单元之间的耦合，使得阵元之间至少相距半波长，大大降低了能量利用率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种微波能量传输效率更高的圆极化微波能量接收板。
本发明采用的技术方案如下：一种微波能量接收板，其特征在于，包括正方形结构的次波长谐振结构单元；所述次波长谐振结构单元包括，次波长谐振结构及与其相连的高频整流电路；所述高频整流电路包括高频整流芯片及其辅助电路；所述次波长谐振结构从上到下包括，
顶层金属层，为正方形结构，每一边的中间位置设置有向顶层金属层中心延伸的长条形缺口，共四个长条形缺口；所述四个长条形缺口的宽度相等；其中相对的两个长条形缺口长度相等构成一组长条形缺口，共两组长条形缺口；两组长条形缺口中，其中一组长条形缺口长度大于另外一组长条形缺口长度；
绝缘支撑介质层，位于顶层金属层和接地金属层之间，起绝缘支撑作用；
接地金属层，为接地层；
所述绝缘支撑介质层上设置有正极输入通孔，该正极输入通孔，向上连接至顶层金属层的一条对角线上，但不在顶层金属层的中心，向下穿过接地金属层，但不与接地金属层直接接触，连接至高频整流芯片的输入正极，作为高频整流电路的正极输入；
所述接地金属层连接至高频整流二极管的输入负极，作为高频整流电路的负极输入。
两组长条形缺口，不能一般长，至于具体宽度及每组的具体长度，由所适用的波长及要达到的匹配效果具体设定。所述正极输入通孔竖直方向向上连接至顶层金属层的一条对角线上，但不能在顶层金属层的中心，至于在哪条对角线上，由为左圆极化还是为右圆极化决定，而在具体对角线的哪个位置，则根据匹配效果决定。
利用电磁波在顶层金属层和中间接地金属层之间发生的电磁谐振效应，使入射圆极化电磁波的相位刚好差90度的两个极化分量耦合进入对应的两个长度不同的长条形缺口。通过仿真优化通孔的位置，即可将入射圆极化电磁波完美耦合进入通孔，使其工作时的等效电路实现高频整流电路与真空环境的完美匹配，从而实现无线能量的完美接收。通过高频整流电路将所接收到的微波能量整流转化成直流能量输出。
所述接地层金属层在对应正极输入通孔的位置设置有一个圆形缺口(也可以为正方形缺口或其他形状的缺口)，圆形缺口内设置有一个焊盘，所述正极输入通孔通过该焊盘连接至高频整流芯片的输入正极，而不至于与接地金属层接触。
还包括底层绝缘介质层，所述底层绝缘介质层上设置有两个通孔，一个通孔与所述正极输入通孔对应，另一个通孔连接至接地金属层；所述底层绝缘介质层底部设置有两个焊盘，所述两个通孔各对应一个焊盘，通过焊盘与高频整流二极管的正负极连接。这样的结构便于多个次波长谐振结构单元能够组成大面积高效率微波能量接收板。
包括多个次波长谐振结构单元，组成大面积高效率微波能量接收板。将很多个次波长谐振结构单元周期排列构成接收板，工作时每个单元上的整流芯片会将各自吸收的无线射频交流信号转化成直流电压，将多个单元输出的直流电压串联，将每个单元产生的直流电源串联而成，从而产生所需电压的直流供电源，实现高效率微波能量接收板。当高效无线能量接收板工作时，入射到次波长谐振结构上的圆极化电磁波会在顶层正方形片状金属层与接地层金属层联合作用下产生电谐振和磁谐振。
每个次波长谐振结构单元的顶层金属层尺寸要小于结构单元尺寸，以使直接接触的相邻的次波长谐振结构单元之间，各自的顶层金属层不直接接触。
所述次波长谐振结构单元的边长尺寸小于工作波长的1/4，由于单元尺寸处于次波长范围内，整个接收板可等效为均匀介质微波能量收集板。
所述次波长谐振结构单元，结构边长为12mm，其中，
顶层金属层，边长为10.2mm，厚度为0.035mm，长条形缺口宽度为0.3mm，较长一组长条形缺口长度为4mm，较短一组长条形缺口的长度为2.4mm；
绝缘支撑介质层，选取材料为介电常数为3.5的Rogers3035，厚度为1.5mm；
接地金属层，厚度为0.035mm；
通孔，半径为0.3mm。
该结构尺寸设置适用于工作频率为5.8GHz，即工作皮长约为50mm的次波长谐振结构单元。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-45dB，几乎完美吸收转化，并且由于材料本身损耗极小，因此能量转化效果将近99％。次波长谐振结构单元尺寸(12mm)不到工作波长(50mm)的1/4，使得该金属单元结构可以等效为均匀媒质。其等效的相对介电常数和相对磁导率可以表示为：ε(ω)＝ε1(ω)+iε2(ω)和μ(ω)＝μ1(ω)+iμ2(ω)，其中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)。适当改变开顶层金属层的尺寸大小、长条形缺口的宽度，可以使得该介质的介质参数在所需工作频率上得到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转化效率。每一个单元都能独自组成一个直流供电源。
所述底层绝缘介质层，厚度为0.5mm；
所述焊盘厚度为0.035mm。
将很多个单元周期排列，横向纵向周期均为12mm，并且将每个单元输出端得正负极一次串联即可实现高电压直流供电源，这样就将无线交流信号能量全部转化成直流电源。而本材料的厚度仅为2.105mm，即仅相当于工作波长(50mm)的二十五分之一的厚度，可以说是完美无线能量接收板。
所述顶层金属层和/或接地金属层为金属铜片。
所述高频整流芯片为高频整流二极管。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、设计结构简单，质量轻，厚度薄，只有微波波长的二十五分之一的厚度即可实现高效率无线能量的接收和转化。
2、设计结构尺寸小，低于工作波长的1/4，能够视为均匀介质，接收能量有效口径均匀，且实现了有效口径最大化。
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-45dB，能量接收转化效率为99％。
4、结构多变，能够针对不同接收频带要求设计不同的形状和大小。每一种形状都能够高效率接收和转化。
5、能够广泛用于当今各种频段的无线射频能量传输与接收装备研发应用领域。
不仅实现了空间环境与整流电路的完美匹配，而且多个单元之间结构紧凑，可等效为均匀媒质的完美能量接收板，使得整体接收效率超过90％，极大改善了微波能量传输系统的效率，将无线能量传输的应用提高到一个新的平台。
附图说明
图1为本发明其中一实施例次波长谐振结构单元俯视图。
图2为本发明其中一实施例次波长谐振结构单元最低层仰视图。
图3为本发明其中一实施例次波长谐振结构单元竖直方向剖面图。
图4为本发明其中一实施例多个次波长谐振结构单元构成的微波能量接收板俯视图。
图5为图4所示实施例中，次波长谐振结构单元构成的微波能量接收板绝缘支撑介质层示意图。
图6为图4所示实施例中，次波长谐振结构单元构成的微波能量接收板最低层仰视图。
具体实施方式
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本说明书(包括任何摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
具体实施例一
本具体实施例以结构工作频率为5.8GHz，即工作波长约为50mm的微波能量接收板为例进行说明。
在本具体实施例中，由单个次波长谐振结构单元构成微波能量接收板。如图1和图2所示，所述次波长谐振结构单元为正方形结构，包括次波长谐振结构及与其相连的高频整流电路；所述高频整流电路包括高频整流芯片及其辅助电路；所述次波长谐振结构从上到下包括，
顶层金属层1，为正方形结构，每一边的中间位置设置有向顶层金属层中心延伸的长条形缺口2，共四个长条形缺口；所述四个长条形缺口的宽度相等；其中相对的两个长条形缺口长度相等构成一组长条形缺口，共两组长条形缺口；两组长条形缺口中，其中一组长条形缺口长度大于另外一组长条形缺口长度；
绝缘支撑介质层8，位于顶层金属层和接地金属层之间，起绝缘支撑作用；
接地金属层4，为接地层；
所述绝缘支撑介质层上设置有正极输入通孔3，该正极输入通孔，向上连接至顶层金属层的一条对角线上，但不在顶层金属层的中心，向下穿过接地金属层，但不与接地金属层直接接触，连接至高频整流芯片的输入正极，作为高频整流电路的正极输入；
所述接地金属层连接至高频整流二极管的输入负极，作为高频整流电路的负极输入。
在本具体实施例中，所述次波长谐振结构单元，结构边长为12mm，其中，顶层金属层边长为10.2mm，厚度为0.035mm，长条形缺口宽度为0.3mm，较长一组长条形缺口长度为4mm，较短一组长条形缺口的长度为2.4mm；绝缘支撑介质层选取材料为介电常数为3.5的Rogers3035，厚度为1.5mm；接地金属层厚度为0.035mm；通孔半径为0.3mm。
所述接地层金属层在对应正极输入通孔3的位置设置有一个圆形缺口5(也可以为正方形缺口或其他形状的缺口)，圆形缺口内设置有一个焊盘，所述正极输入通孔3通过该焊盘连接至高频整流芯片7的输入正极，而不至于与接地金属层接触。而高频整流芯片7的输入负极连接至接地金属层焊盘6。
在本具体实施例中，所述顶层金属层和接地金属层均为金属铜片，所述高频整流芯片为高频整流二极管。
具体实施例二
如图3所示，与具体实施例一类似，区别在于，所述次波长谐振结构单元还包括底层绝缘介质层9，所述底层绝缘介质层上设置有两个通孔，一个通孔与所述正极输入通孔3对应，另一个通孔10连接至接地金属层；所述底层绝缘介质层底部设置有两个焊盘11，所述两个通孔各对应一个焊盘，通过焊盘与高频整流二极管的正负极连接。这样的结构便于多个次波长谐振结构单元能够组成大面积高效率微波能量接收板。在本具体实施例中，所述底层绝缘介质层厚度为0.5mm；所述焊盘厚度为0.035mm。
具体实施例三
如图4到6所示，与具体实施例二的区别在于，在本具体实施例中，微波能量接收板为多个具体实施例二所述的次波长谐振结构单元组成的，对于每个结构单元，顶层金属层的尺寸要小于整个结构单元尺寸。。将很多个次波长谐振结构单元周期排列构成接收板，工作时每个单元上的整流芯片会将各自吸收的无线射频交流信号转化成直流电压，将多个单元输出的直流电压串联，将每个单元产生的直流电源串联而成，从而产生所需电压的直流供电源，实现高效率微波能量接收板。当高效无线能量接收板工作时，入射到次波长谐振结构上的圆极化电磁波会在顶层正方形片状金属层与接地层金属层联合作用下产生电谐振和磁谐振。
Claims (10)
1.一种微波能量接收板，其特征在于，包括正方形结构的次波长谐振结构单元；所述次波长谐振结构单元包括，次波长谐振结构及与其相连的高频整流电路；所述高频整流电路包括高频整流芯片及其辅助电路；所述次波长谐振结构从上到下包括，
顶层金属层，为正方形结构，每一边的中间位置设置有向顶层金属层中心延伸的长条形缺口，共四个长条形缺口；所述四个长条形缺口的宽度相等；其中相对的两个长条形缺口长度相等构成一组长条形缺口，共两组长条形缺口；两组长条形缺口中，其中一组长条形缺口长度大于另外一组长条形缺口长度；
绝缘支撑介质层，位于顶层金属层和接地金属层之间，起绝缘支撑作用；
接地金属层，为接地层；
所述绝缘支撑介质层上设置有正极输入通孔，该正极输入通孔，向上连接至顶层金属层的一条对角线上，但不在顶层金属层的中心，向下穿过接地金属层，但不与接地金属层直接接触，连接至高频整流芯片的输入正极；
所述接地金属层连接至高频整流芯片的输入负极。
2.根据权利要求1所述的微波能量接收板，其特征在于，所述接地层金属在对应正极输入通孔的位置设置有一个圆形缺口，圆形缺口内设置有一个焊盘，所述正极输入通孔通过该焊盘连接至高频整流芯片的输入正极。
3.根据权利要求1所述的微波能量接收板，其特征在于，还包括底层绝缘介质层，所述底层绝缘介质层上设置有两个通孔，一个通孔与所述正极输入通孔对应，另一个通孔连接至接地金属层；所述底层绝缘介质层底部设置有两个焊盘，所述两个通孔各对应一个焊盘，通过焊盘与高频整流芯片的输入正负极连接。
4.根据权利要求3所述的微波能量接收板，其特征在于，包括多个次波长谐振结构单元，组成大面积高效率微波能量接收板。
5.根据权利要求4所述的微波能量接收板，其特征在于，每个次波长谐振结构单元的顶层金属层尺寸要小于结构单元尺寸，以使直接接触的相邻的次波长谐振结构单元之间，各自的顶层金属层不直接接触。
6.根据权利要求1到5之一所述的微波能量接收板，其特征在于，所述次波长谐振结构单元的边长尺寸小于工作波长的1/4。
7.根据权利要求1到5之一所述的微波能量接收板，其特征在于，所述次波长谐振结构单元，结构边长为12mm，其中，
顶层金属层，边长为10.2mm，厚度为0.035mm，长条形缺口宽度为0.3mm，较长一组长条形缺口长度为4mm，较短一组长条形缺口的长度为2.4mm；
绝缘支撑介质层，选取为介电常数为3.5的Rogers3035，厚度为1.5mm；
接地金属层，厚度为0.035mm；
通孔，半径为0.3mm。
8.根据权利要求7所述的微波能量接收板，其特征在于，所述底层绝缘介质层，厚度为0.5mm；所述焊盘厚度为0.035mm。
9.根据权利要求1、2、3、4、5或8所述的微波能量接收板，其特征在于，所述顶层金属层和/或接地金属层为金属铜片。
10.根据权利要求1、2、3、4、5或8所述的微波能量接收板，其特征在于，所述为高频整流芯片为高频整流二极管。
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