CN106099388B - 基于电磁超表面互补结构的环境射频微能量收集装置 - Google Patents

Abstract

一种基于电磁超表面互补结构的环境射频微能量收集装置，包括介质基板，介质基板背面贴合有金属地板，介质基板正面贴合有金属贴片结构，金属地板为正方形，其边长与介质基板表面的正方形的边长相等。金属贴片结构为正方形，其边长小于介质基板表面正方形的边长。金属地板、金属贴片结构和介质基板同轴。介质基板为表面正方形的长方体结构，介质基板表面的对角线上设有金属化过孔。金属化过孔和贴合于介质基板正面的金属贴片结构相接。金属化过孔与金属地板通过负载电阻相接。本发明结构简单紧凑，能够在入射电磁波为任意极化方式，宽角度入射范围内保持高负载能量收集效率，应用广泛。

Description

基于电磁超表面互补结构的环境射频微能量收集装置

技术领域

本发明属于物理技术领域，更进一步涉及无线能量传输与收集技术领域中的一种基于电磁超表面互补结构的环境射频微能量收集装置。本发明可以把收集到的环境中通信的射频微能量用于无线传感器网络的能量供给。

背景技术

随着物联网技术的兴起，具有低功耗的微型无线传感器网络得到了广泛的发展，目前传感网络是利用电池供电，即使工作在低功耗模式下，节点的使用寿命也非常有限，定期更换数以万计的设备电池将是难以实现的。环境中的电磁波能量如今可以从全球数百亿个无线发射器获得，包括移动电话、手持无线电设备、移动基站以及电视/无线广播台、WIFI路由器等。因此通过自适应吸收电磁环境中的能量给数以万计的传感器节点供电是一个有效的解决途径。

电磁超材料(Metamaterials)指的是一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。电磁超表面是一种二维或准二维的超材料结构，具有尺寸小，低剖面，单位面积能量吸收率高的特点。

中山大学在其申请的专利“一种基于WIFI频段的微带整流天线”(申请号：201510115925.5，公开号：104767029A)中提出了一种微带接收天线。微带接收天线是同轴馈电矩形微带天线，能够收集WIFI频段的电磁波能量，该装置仍然存在的不足之处是，微带天线的整体尺寸相对于工作波长较大，具有固定的极化方向性，不能收集任意极化角度的电磁波能量，很难满足高效利用环境能量的需求。

上海大学在其申请的专利“基于四重旋转对称结构的超材料电磁能量收集装置”(申请号：201610093112.5，公开号：105552571A)中提出了一种超材料电磁能量收集装置，该装置由下至上包括底层金属薄膜，中间损耗介质层和顶层金属薄膜，底层金属薄膜、中间损耗介质层和顶层金属薄膜之间相互贴合。顶层金属薄膜包括两个同心金属圆环，四个负载电阻均匀布置于两个金属圆环之间的间隙内。该装置能实现高效的电磁能量收集。该装置仍然存在的不足之处是，虽然该装置负载能量吸收率高，但是，该装置中单元结构的负载电阻较多，收集到的能量分散到各个负载电阻上，如果组成阵列，每个负载都需要整流电路，那么负载后端的整流电路会非常复杂，能量大部分会损耗在电路中，因此在实际应用中局限性比较大。

综上所述，目前环境射频微能量收集面临着两个问题，1.现有的收集射频能量信号的前端是传统天线，但天线的尺寸是和波长相比拟的，会产生二次辐射，并有其固有的增益，极化方向，环境中的电磁波能量的大小和方向是随机的，现有的无线传感器节点分布范围广，分布环境复杂，传统天线已经很难满足高效利用环境能量的需求，2.现有的超材料电磁能量收集装置虽然能收集能量，但结构复杂，无法高效的利用收集到的能量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于电磁超表面互补结构的环境射频微能量收集装置，简化了装置的结构，收集任意极化角度的电磁波，展宽电磁波入射角，扩宽其应用领域。

实现本发明的具体思路是：首先确定能量收集装置的收集频带，设计能量收集装置的尺寸和位置，优化负载电阻匹配，实现负载高效能量收集。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

本发明包括介质基板，介质基板背面贴合有金属地板，介质基板正面贴合有金属贴片结构，金属地板为正方形，其边长与介质基板表面的正方形的边长相等。金属贴片结构为正方形，其边长小于介质基板表面正方形的边长。金属地板、金属贴片结构和介质基板同轴。介质基板为表面正方形的长方体结构，介质基板表面的对角线上设有金属化过孔。金属化过孔和贴合于介质基板正面的金属贴片结构相接。金属化过孔与金属地板通过负载电阻相接。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明通过金属贴片结构中的环型非闭合缝隙耦合产生了谐振并激励表面电流，结构本身等效成一个滤波器结构，克服了现有技术存在的以传统天线作为环境射频能量收集装置时装置尺寸过大，会产生二次辐射，有固定的极化和增益的问题，使得本发明具有亚波长结构，尺寸小，低剖面，不会产生二次辐射，省去了后端整流电路中的滤波电路，并可降低入射电磁波极化敏感性，从而使得本发明具有收集任意极化角度的电磁波，简化了系统的复杂度的优点。

第二，由于本发明通过金属化过孔将表面电流导入到一个负载电阻上，克服了现有技术存在的负载电阻较多，无法高效的利用收集到的能量的问题，使得本发明在保持高效能量收集效率的同时简化后端整流电路的复杂度，减少了损耗，提高了能量收集的效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明在电磁波垂直入射时的横电、横磁极化波的能量收集效率曲线图；

图3为本发明在电磁波倾斜30°入射时的横电、横磁极化波的能量收集效率曲线图；

图4为本发明在电磁波倾斜45°入射时的横电、横磁极化波的能量收集效率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

参照附图1，本发明的能量收集装置频带的中心频率为5GHz时所采用的各结构尺寸如下：

本发明包括介质基板4，介质基板4背面贴合有金属地板1，介质基板4正面贴合有金属贴片结构2，本发明的实施例1的金属贴片结构2的边长L为16mm，金属贴片结构2中的环型非闭合缝隙的形状采用正方形，环型非闭合缝隙边长为8mm，宽度W为0.55mm，环型非闭合缝隙开口间距g为0.57mm。

本发明的实施例1的介质基板4为表面正方形的长方体结构，介质基板4相对介电常数ε为2.65，介电损耗tanδ为0.001，厚度t为1.5mm，尺寸为18.5×18.5×1.5mm。本发明的实施例1的介质基板4表面的对角线上设有金属化过孔3，金属化过孔3距对角线中心4.5mm。

本发明的实施例1的金属地板1为正方形，其边长与介质基板4表面的正方形的边长相等。本发明的实施例1的金属地板1的正方形表面挖去一个与金属化过孔3同心的圆形，圆形直径4mm。本发明的实施例1的金属地板1、金属贴片结构2和介质基板4同轴。本发明的实施例1的金属地板1和金属贴片结构2以及金属化过孔3的材料是金属银。

本发明的实施例1的金属化过孔3和贴合于介质基板正面的金属贴片结构2相接。本发明的实施例1的金属化过孔3与金属地板1通过负载电阻5相连。本发明的实施例1的金属化过孔3的直径为0.5mm。本发明的实施例1的负载电阻5阻值为50Ω。

本发明的实施例2的金属贴片结构2中的环型非闭合缝隙的形状采用圆形，外圈圆形直径为9mm，内圈圆环直径为8.5mm，环型非闭合缝隙开口间距g为0.7mm。金属地板1的正方形表面挖去一个与金属化过孔3同心的圆形，圆形直径3mm。金属化过孔3的直径为0.6mm。负载电阻5阻值为70Ω。其余构成、结构、参数与实施例1中的基于电磁超表面互补结构的环境射频微能量收集装置一样，各结构之间的连接关系也与实施例1中的基于电磁超表面互补结构的环境射频微能量收集装置一样。

下面结合图2、图3、图4对本发明实施例1的装置结构的效果作进一步的描述。

本发明的仿真结果是通过电磁软件Ansoft HFSS建模，在能量收集装置频带4.5-5.5GHz内仿真得到的。

参照附图2，对本发明在电磁波垂直入射时的横电、横磁极化波的两条曲线图进行能量收集效率的对比分析。

图2中的横轴表示频率，纵轴表示负载能量收集的效率。图2中以圆形标示的曲线代表本发明在电磁波垂直入射时的横磁极化波的能量收集效率的仿真曲线，以三角形标示的曲线代表本发明在电磁波垂直入射时的横电极化波的能量收集效率的仿真曲线。从本发明仿真的电磁波垂直入射时的横电、横磁极化波的负载能量收集的效率曲线可看出，两条曲线基本重合，在5GHz时，负载能量收集的效率都达到90％，说明本发明对任意极化的入射电磁波都有很好的收集效果。

参照附图3，对本发明在电磁波倾斜30°入射时的横电、横磁极化波的两条曲线图进行能量收集效率的对比分析。

图3中的横轴表示频率，纵轴表示负载能量收集的效率。图3中以圆形标示的曲线代表本发明在电磁波倾斜30°入射时的横磁极化波的能量收集效率的仿真曲线，以三角形标示的曲线代表本发明在电磁波倾斜30°入射时的横电极化波的能量收集效率的仿真曲线。从本发明仿真的电磁波倾斜30°入射时的横电、横磁极化波的负载能量收集的效率曲线可看出，两条曲线基本重合，负载能量收集的最高效率达到90％以上，说明本发明在入射电磁波入射角为30°时，无论横电极化或者横磁极化，有很好的收集效果。

参照附图4，对本发明在电磁波倾斜45°入射时的横电、横磁极化波的两条曲线图进行能量收集效率的对比分析。

图4中的横轴表示频率，纵轴表示负载能量收集的效率。图4中以圆形标示的曲线代表本发明在电磁波倾斜45°入射时的横磁极化波的能量收集效率的仿真曲线，以三角形标示的曲线代表本发明在电磁波倾斜45°入射时的横电极化波的能量收集效率的仿真曲线。从本发明仿真的电磁波倾斜45°入射时的横电、横磁极化波的负载能量收集的效率曲线可看出，两条曲线基本重合，负载能量收集的最高效率达到88％以上，说明本发明在入射电磁波入射角为45°时，无论横电极化或者横磁极化，有很好的收集效果。

从上述分析可知，本发明在能量收集装置频带4.5-5.5GHz内，无论入射电磁波是横电极化或者横磁极化，在入射电磁波入射角0°-45°范围内，本发明都可以保持最高90％以上的负载能量收集的效率。

Claims (4)

1.一种基于电磁超表面互补结构的环境射频微能量收集装置，包括介质基板(4)，介质基板(4)背面贴合有金属地板(1)，介质基板(4)正面贴合有金属贴片结构(2)，其特征在于，所述的金属地板(1)为正方形，其边长与介质基板(4)表面的正方形的边长相等；所述的金属贴片结构(2)为正方形，其边长小于介质基板(4)表面正方形的边长；所述的金属贴片结构(2)表面开有环型非闭合缝隙，环型非闭合缝隙的形状为边长大于3的偶数的正多边形、圆形，所述的金属地板(1)、金属贴片结构(2)、介质基板(4)同轴；所述的介质基板(4)为表面正方形的长方体结构，所述的介质基板(4)的厚度为能量收集装置频带对应波长的四十分之一，介质基板(4)表面的对角线上设有金属化过孔(3)；所述金属化过孔(3)和贴合于介质基板正面的金属贴片结构(2)相接；所述金属化过孔(3)与金属地板(1)通过负载电阻(5)相接。

2.根据权利要求1所述的基于电磁超表面互补结构的环境射频微能量收集装置，其特征在于：所述的金属地板(1)的正方形表面挖去一个与金属化过孔(3)同心的圆形，圆形直径大于金属化过孔(3)的直径，圆形直径为金属化过孔(3)的直径的2.2-8倍。

3.根据权利要求1所述的基于电磁超表面互补结构的环境射频微能量收集装置，其特征在于：所述金属化过孔(3)的直径为0.5mm-1.1mm。

4.根据权利要求1所述的基于电磁超表面互补结构的环境射频微能量收集装置，其特征在于：所述负载电阻(5)阻值为50Ω-5000Ω。