CN105609942A - 一种吸收任意方向线极化入射波的微波能量接收平板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸收任意方向线极化入射波的微波能量接收平板。由至少一个亚波长正方形阵列单元延拓排列而成，第一金属薄层上刻蚀有方形双线极化谐振结构，由贴片在对角与内部开条形槽而构成；贴片上设有两个金属过孔，两者穿过中间各层分别与两个功率合成网络相连；两个功率合成网络分别位于两层带状线结构中，由二合一功率合成电路级联构成；两个功率合成网络的输出端连接定向耦合器的两个输入端，定向耦合器的两个输出端分别连接两个整流电路，整流电路的输出端并联后得到直流电输出。本发明实现了空间中任意方向线极化入射电磁波能量的高效接收，可广泛应用于各种频段与功率级别的微波能量接收与转换领域。

Description

一种吸收任意方向线极化入射波的微波能量接收平板

技术领域

本发明涉及一种能量接收板，尤其是涉及一种吸收任意方向线极化入射波的微波能量接收平板。

背景技术

微波无线能量传输是以真空或大气作为传播媒介，以电磁波的形式远场传输电能的一类技术，在微波能量传输系统中，接收端接收入射的微波能量，并转换为直流能量，加以储存与利用。微波能量传输技术不仅在空间太阳能卫星电站、空间飞机器之间的能量传输等领域具备广阔的应用前景，近些年来还在低功率的传感器与电子产品的供能方面获得持续关注。

随着微电子与无线通信技术的发展，传感器与微型计算设备越发普遍地适用于各种生产生活应用，遍布于多种复杂环境中，这些小功率电子设备若采用微波方式无线供电，来替代传统的电池供电方式，可提升设备的易用性与可靠性。由微波能量接收装置接收功率源发射的微波或周围环境中的电磁波(如通信基站、无线路由器产生的电磁波)，并转换为直流电能供电子设备使用。这些情况下，电磁波的极化方向是多样的，单极化能量接收装置的吸收能力有限。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明目的在于提供了一种吸收任意方向线极化入射波的微波能量接收平板，实现对任意方向线极化电磁波的高效接收。

本发明采用的技术方案是：

本发明平板包括至少一个亚波长的正方形阵列单元，每个正方形阵列单元从上至下依次为第一金属薄层、第一介质基板层、第二金属薄层、第二介质基板层、第三金属薄层、第三介质基板层和第四金属薄层，其中第二介质基板层中间和第三介质基板层中间都含有带状金属线。所述平板由正方形阵列单元周期性复制延拓而成，所述正方形阵列单元中：

第一金属薄层为正方形双线极化贴片，上刻蚀有方形双线极化谐振结构：贴片的四角向中心均开有径向的条形槽，贴片的中部开有四个条形L形槽，四个条形L形槽的直角端朝向中心布置形成近“井”字形结构，在贴片上刻蚀有两个金属过孔；第二介质基板层和第三介质基板层分别设有由带状线构成的第一功率合成网络与第二功率合成网络。

第二介质基板层和第三介质基板层均设有多个带状线功率合成电路，第二介质基板层的带状线功率合成电路输出端级联组成第一功率合成网络，第三介质基板层的带状线功率合成电路输出端级联构成第二功率合成网络。

所述的第三介质基板层中嵌有定向耦合器，第二介质基板层中的第一功率合成网络和第三介质基板层中的第二功率合成网络的输出端分别与定向耦合器的两个输入端相连，定向耦合器的两个输出端分别与第一整流电路、第二整流电路的输入端相连，第一整流电路、第二整流电路的输出端并联输出直流电。

所述的两个金属过孔分别为第一金属过孔和第二金属过孔，第一金属过孔和第二金属过孔各自穿过中间各层分别与第二介质基板层中、第三介质基板层中的带状线功率合成网络的输入端相连接；第一金属过孔传递垂直极化分量的能量，第二金属过孔传递水平极化分量的能量。

第二金属薄层为镀满的金属铜片底板，中间开两个圆形开口供第一、第二金属过孔穿过；第三金属薄层为镀满的金属铜片底板，中间开圆形开口供第二金属过孔穿过；第四金属薄层为金属铜片底板。

所述的第一金属过孔位于正方形双线极化贴片竖直中心线的上部，第二金属过孔位于正方形双线极化贴片水平中心线的左侧部。

所述的定向耦合器对功率合成后的水平极化与垂直极化分量进行能量上的重新分配，输出两路相等功率的能量，分别到第一整流电路、第二整流电路中整流。

所述的能量接收平板接收任意方向线极化入射的电磁波，使得两个射频整流电路的输入功率相等，输出的直流电能相等。

所述的能量接收平板为长方形或正方形，由正方形阵列单元向四边周围周期性延拓而组成。

本发明正方形双线极化贴片可以接收线极化波中的水平极化分量与垂直极化分量，两者分别馈入第一金属过孔与第二金属过孔中，各自经功率合成网络输入到定向耦合器中，定向耦合器对水平极化与垂直极化分量的能量重新分配，输出两路相等功率的射频能量，分别整流转换为直流电能。

本发明的有益效果是：

1)本发明可以实现接收任意方向线极化入射电磁波。任意方向线极化的入射电磁波被该平板接收后，输入到两个整流电路的射频功率是相等的。整流电路中的整流芯片是功率敏感的器件，整流电路的性能根据输入射频功率而优化，恒定的射频功率可保证整流芯片工作在较高的整流效率上，在入射电磁波功率密度一定的情况下，整流电路的输入端射频功率恒定，故整流效率较高且输出的直流电能基本恒定，无需考虑极化匹配。

2)匹配性能好，经过实例仿真验证，由周期阵列构成的能量接收平板在工作频率上的反射系数为-48dB，口径效率高，微波能量吸收率为97.4％。

3)将各个阵列单元接收到的射频能量功率合成，整流电路的输入功率提升，整流效率增加。

4)结构多变，可以针对不同电磁波频率与环境要求设计不同的形状与大小，实现电磁波能量的高效接收。

本发明可广泛应用于当今各种频段与功率级别的微波能量接收与转化等领域。

附图说明

图1是本发明亚波长正方形阵列单元的三维结构示意图。

图2是亚波长正方形阵列单元的正面示意图。

图3是微波能量接收板实例的正面示意图。

图4是微波能量接收板实例的第一中间层带状线布局的示意图。

图5是微波能量接收板实例的第二中间层带状线布局的示意图。

图中：1.第一金属薄层、2.第一介质基板层、3.第二金属薄层、4.第二介质基板层、5.第三金属薄层、6.第三介质基板层、7.第四金属薄层、8.第一金属过孔、9.第二金属过孔、10.第一功率合成网络、11.第二功率合成网络、12.定向耦合器、13.定向耦合器第一输入端、14.定向耦合器第二输入端、15.定向耦合器第一输出端、16.定向耦合器第二输出端、17.第一整流电路、18.第二整流电路。

具体实施方式

以下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，本发明平板包括亚波长的正方形阵列单元，每个正方形阵列单元从上至下依次为第一金属薄层1、第一介质基板层2、第二金属薄层3、第二介质基板层4、第三金属薄层5、第三介质基板层6和第四金属薄层7，其中第二介质基板层4中间和第三介质基板层6中间都含有带状金属线。

本发明平板具体可由正方形阵列单元周期性复制延拓而成，所述正方形阵列单元中：如图2所示，第一金属薄层1为正方形双线极化贴片，贴片的四角向中心均开有径向的条形槽，贴片的中部开有四个条形L形槽，四个条形L形槽的直角端朝向中心布置形成近“井”字形结构，条形槽的末端位于各自对应的条形L形槽两条直角边的之间，L形槽的两条直角边分别与x轴与y轴平行，直角顶点位于对角线上。

第二介质基板层4和第三介质基板层6均设有功率合成网络，由二合一带状线功率合成电路级联构成。如图4所示，第二介质基板层4中，第一功率合成网络10的输出端通过过孔与第三介质基板层6中的定向耦合器12的第一输入端口13相连；如图5所示，在第三介质基板层6中，第二功率合成网络11的输出端直接与定向耦合器12的第二输入端口14相连。

如图5所示，本发明平板中，第三介质基板层6中嵌有定向耦合器12，第一功率合成网络10和第二功率合成网络11的输出端分别与定向耦合器12的两个输入端相连，定向耦合器12的两个输出端分别与第一整流电路17、第二整流电路18的输入端相连，第一整流电路17、第二整流电路18的输出端并联输出直流电。

本发明在正方形双线极化贴片上刻蚀有两个金属过孔。两个金属过孔分别为第一金属过孔8和第二金属过孔9，第一金属过孔8和第二金属过孔9各自穿过中间各层分别与第二介质基板层4、第三介质基板层6中的功率合成网络的输入端相连接；第一金属过孔8传递垂直极化分量的能量，第二金属过孔9传递水平极化分量的能量。

第一金属过孔8位于正方形双线极化贴片竖直中心线的上部，第二金属过孔9位于正方形双线极化贴片水平中心线的左侧部。

正方形双线极化贴片接收线极化波中的垂直极化分量与水平极化分量，分别馈入第一金属过孔8与第二金属过孔9中。

定向耦合器12对功率合成后的水平极化与垂直极化分量进行能量上的重新分配，输出相等功率的两路能量，分别到第一整流电路17、第二整流电路18中整流。

能量接收平板接收任意线极化方向入射的电磁波，使得两个射频整流转换电路的输入功率相等，输出的直流电能相等。

如图3所示，能量接收平板为长方形或正方形，由正方形阵列单元向四边周围周期性延拓而组成。

本发明的设计原理如下：

本发明基于90度定向耦合器的特性设计了上述可接收任意方向极化入射电磁波的平板结构。由于线极化波可分解为正交的水平极化分量与垂直极化分量，线极化波被双线极化正方形谐振结构吸收后，垂直与水平分量分别馈入方形贴片中心偏上与中心偏左的过孔中，经功率合成网络输入到定向耦合器的两个输入端口中，第一输入端口13与第二输入端口14的两个输入分量I₁(t)与I₂(t)相位相等而幅度不相等，可分别表示为：

I₁(t)＝A_Vcos[2πft+θ]

I₂(t)＝A_Hcos[2πft+θ]

其中，A_V为第一输入端口13的输入分量的幅度，即垂直极化分量的幅度，A_H为第二输入端口14的分量的幅度，即水平极化分量的幅度，f为电磁波频率，θ表示相位，t表示时间。

经过90度定向耦合器后，第一输出端口15与第二输出端口16的输出分量O₃(t)和O₄(t)分别表示为：

$O_3\left(t\right)=\frac{A_V}{2}cos\[2\mathrm{\π}ft+\mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{2}\]+\frac{A_H}{2}cos\[2\mathrm{\π}ft+\mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}\]$

$O_4\left(t\right)=\frac{A_V}{2}cos\[2\mathrm{\π}ft+\mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}\]+\frac{A_H}{2}cos\[2\mathrm{\π}ft+\mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{2}\]$

其中，△θ为第一相移。

上述两个分量可化简为：

$O_3\left(t\right)=-\sqrt{\frac{{A_V}^2+{A_H}^2}{4}}sin\[2\mathrm{\π}ft+\mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}\]$

$O_4\left(t\right)=-\sqrt{\frac{{A_V}^2+{A_H}^2}{4}}cos\[2\mathrm{\π}ft+\mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}-\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}\]$

其中，△φ为第二相移，其值可表示为

$cos\left(\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}\right)=\frac{A_V}{\sqrt{{A_V}^2+{A_H}^2}},sin\left(\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}\right)=\frac{A_H}{\sqrt{{A_V}^2+{A_H}^2}}$

从上述式子可知，定向耦合器的两路输出分量O₃(t)和O₄(t)幅度相等，相位不相等，从而实现了射频能量的重新分配。两路射频分量分别整流，转换为直流电能，由于整流芯片是功率敏感的非线性器件，整流芯片的最佳工作点是根据输入功率优化的，定向耦合器两个输出端口的输出功率相等且恒定，可保证后面的整流电路的整流效率较高。故任意方向线极化电磁波都能被该平板接收，且输入到两个整流电路的射频功率相等，整流效率较高。

正方形阵列单元的贴片上的条形槽结构增加了电流路径，缩小了谐振单元的尺寸。当谐振单元的尺寸小于波长的四分之一时，周期阵列易与空气实现阻抗完全匹配，微波吸收率接近于1。

将多个阵列单元周期排列，组成微波能量接收表面，由功率合成网络将单元吸收的微波能量功率合成后，经定向耦合器输入到整流电路转换为直流能量，可提高整流电路的输入射频功率，进而提高整流效率。

本发明的实施例如下：

本发明提供的亚波长正方形阵列单元实例示意图如图1与图2所示，单元尺寸为30mm，从上至下依次为第一金属薄层1、第一介质基板层2、第二金属薄层3、第二介质基板层4、第三金属薄层5、第三介质基板层6、第四金属薄层7，其中第二介质基板层2中间与第三介质基板层4中间都含有带状金属线；第一、第二、第三、第四金属薄层的厚度均为0.035mm，材料为铜；介质基板使用F4B材料，相对介电常数为3.5，相对磁导率1，第一介质基板层的厚度为2.5mm；第二和第三介质基板层的厚度都为1mm；第二、第三介质基板层中的金属带状线的厚度为0.035mm，材料为铜。

第一金属薄层上，正方形金属贴片的边长为24.2mm，四个对角处的条形槽宽度为1.5mm，长度为9.6mm，条形L型槽的宽度为1mm，近中心的直角边的长度为9mm。在贴片上设有两个金属过孔，两过孔各自穿过中间各层分别与第二介质基板层、第三介质基板层中的功率合成网络的输入端相连。

图3、图4、图5展示了多个正方形阵列单元组成微波能量接收板实例的正面与中间两个带状线层的示意图，周期阵列的相邻单元的间距为30mm，该周期阵列接收线极化入射电磁波，垂直极化分量与水平极化分量分别馈入每个单元中心偏上与中心偏左的过孔8和9中，进入两个功率合成网络。在接收板的第二、第三介质基板层中，第一功率合成网络10与第二功率合成网络11都是由二合一带状线功率合成电路级联而成，两个功率合成网络的输出端与定向耦合器12的两个输入端口13、14相连。定向耦合器的第一输出端15、第二输出端16分别与第一整流电路17、第二整流电路18相连，整流电路17与18可以位于接收板的背面，也可以是在独立的小电路板上，通过SMA接头与定向耦合器相连。

第二介质基板层中的第一功率合成网络10与第三介质基板层中的第二功率合成网络11分别对垂直极化与水平极化分量功率合成，之后定向耦合器12重新分配两个功率合成网络输出的能量，把相等相位不等幅度的分量分配为相等幅度不等相位的，最后分别输出到两个整流电路中转化为直流电能。整流电路中的整流芯片选用安华高公司的HSMS系列，如2828型号，但不限于此，根据功率级别与电路结构可使用其它类型与型号。

本发明介绍的实例结构工作频率为2.45GHz，工作波长为122mm，方形阵列单元尺寸为30mm，不到工作波长的四分之一，使得该单元结构可等效为均匀介质，全波仿真实验结果显示，由周期阵列构成的能量接收平板在工作频带中心的反射系数为-48dB，能量吸收率为97.4％。

本发明的实例的工作频率为2.45GHz，如果要工作在其它频率，需要根据工作波长比例调整亚波长正方形阵列单元的尺寸。

本发明实例的仿真结果显示，在0.1mW/cm²的入射电磁功率密度下，单个单元接收到的微波功率为0.87mW，64个单元功率合成后进入每个整流电路的微波功率为27.9mW，整流电路的谐波平衡仿真效率可达75.2％，而对单个单元整流的效率仅为15％。

由此可见，本发明可实现接收任意方向线极化入射电磁波，匹配性能好，能量吸收率高，整流效果好，应用广泛。

以上所述，仅为本发明在2.45GHz特定频率的较佳实例而已，并未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 (7)

1.一种吸收任意方向线极化入射波的微波能量接收平板，该平板包括亚波长的正方形阵列单元，每个正方形阵列单元从上至下依次为第一金属薄层(1)、第一介质基板层(2)、第二金属薄层(3)、第二介质基板层(4)、第三金属薄层(5)、第三介质基板层(6)和第四金属薄层(7)，其中第二介质基板层(4)中间和第三介质基板层(6)中间都含有带状金属线，其特征在于：所述平板由正方形阵列单元周期性复制延拓而成，所述正方形阵列单元中：

第一金属薄层(1)为正方形双线极化贴片，贴片的四角向中心均开有径向的条形槽，贴片的中部开有四个条形L形槽，四个条形L形槽的直角端朝向中心布置形成近“井”字形结构，在贴片上刻蚀有两个金属过孔；

第二介质基板层(4)和第三介质基板层(6)分别设有由带状金属线构成的第一功率合成网络(10)与第二功率合成网络(11)。

2.根据权利要求1所述的一种吸收任意方向线极化入射波的微波能量接收平板，其特征在于：所述的第三介质基板层(6)中嵌有定向耦合器(12)，第一功率合成网络(10)和第二功率合成网络(11)的输出端分别与定向耦合器(12)的两个输入端相连，定向耦合器(12)的两个输出端分别与第一整流电路(17)、第二整流电路(18)的输入端相连，第一整流电路(17)、第二整流电路(18)的输出端并联输出直流电。

3.根据权利要求1所述的一种吸收任意方向线极化入射波的微波能量接收平板，其特征在于：所述的两个金属过孔分别为第一金属过孔(8)和第二金属过孔(9)，第一金属过孔(8)和第二金属过孔(9)各自穿过中间各层分别与第二介质基板层(4)的第一功率合成网络(10)、第三介质基板层(6)中的第二功率合成网络(11)的输入端相连；第一金属过孔(8)传递垂直极化分量的能量，第二金属过孔(9)传递水平极化分量的能量。

4.根据权利要求3所述的一种吸收任意方向线极化入射波的微波能量接收平板，其特征在于：所述的第一金属过孔(8)位于正方形双线极化贴片竖直中心线的上部，第二金属过孔(9)位于正方形双线极化贴片水平中心线的左侧部。

5.根据权利要求2所述的一种吸收任意方向线极化入射波的微波能量接收平板，其特征在于：所述的定向耦合器(12)对功率合成后的水平极化与垂直极化分量进行能量上的重新分配，输出相等功率的两路能量，分别到第一整流电路(17)、第二整流电路(18)中整流。

6.根据权利要求1所述的一种吸收任意方向线极化入射波的微波能量接收平板，其特征在于：所述的能量接收平板接收任意线极化方向入射的电磁波，使得两个射频整流转换电路的输入功率相等，输出的直流电能相等。

7.根据权利要求1所述的一种吸收任意方向线极化入射波的微波能量接收平板，其特征在于：所述的能量接收平板为长方形或正方形，由正方形阵列单元向四边周围周期性延拓而组成。