CN106159459B - 一种三频极化不敏感的电磁能量收集结构单元和收集表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三频极化不敏感的电磁能量收集结构单元和收集表面。收集结构单元由四个结构相同的底边开口的矩形谐振环组成，矩形谐振环顶边中心设有圆形通孔，各矩形谐振环的一个侧边与其相邻矩形谐振环的底边相连，形成首尾相接的矩形环状结构。收集表面包括金属结构层、介质基板、接地金属层和匹配电阻阵列；金属结构层由一个以上收集结构单元组成；介质基板上设有与各圆形通孔相适配的通孔，匹配电阻阵列由一个以上电阻组成，各电阻分别置于各通孔中，其一端连接圆形通孔的边缘，其另一端连接金属层。本发明达到在三频段产生谐振吸收的目的，具有极化不敏感特性，适合在复杂的电磁环境下应用；它结构稳固，成本低廉，适合大规模生产。

Description

一种三频极化不敏感的电磁能量收集结构单元和收集表面

技术领域

本发明涉及一种电磁能量收集结构单元和收集表面，尤其涉及一种三频极化不敏感的电磁能量收集结构单元和收集表面，属于天线技术领域。

背景技术

近年来，随着无线通信技术不断地发展，在我们周围的环境当中充满着各种频段的微波能量,如何对这些电磁能量进行有效地收集再利用逐渐成为研究的热点。电磁能量收集表面是电磁能量收集的关键技术，它能将从周围环境中接收到的电磁能量转化为电能，实现能量形式的转变，从而为无线传感器网络（WSN）和射频识别（RFID）等电子设备供能，因此大大增加了这些系统中电池的使用寿命，甚至摆脱电池的束缚，减少技术人员对传感器的维护、更换工作。事实上，周围环境中的微波能量功率较低，极化方式错综复杂，且单一工作频段的电磁能量收集表面可收集到的微波能量有限，这就要求电磁能量收集表面具有能在多频的条件下保持极化不敏感的工作特性。

电磁能量收集表面一般分为上中下三层，包括上层的金属结构、中间的介质板和下层的金属接地板。上层的金属结构是电磁能量收集表面的关键元件，其性能参数决定了它能否在多频条件下对电磁能量进行有效吸收，并且将接收到的能量尽可能多地传递到整流电路中。三频极化不敏感的电磁能量收集表面与能在低功率环境下工作的整流电路连接，便能够实现对周围环境中电磁能量的有效收集。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种三频极化不敏感的电磁能量收集结构单元和收集表面。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

技术方案一：

一种三频极化不敏感的电磁能量收集结构单元，由四个结构相同的底边开口的矩形谐振环组成，所述矩形谐振环顶边中心设有圆形通孔，所述各矩形谐振环的一个侧边与其相邻矩形谐振环的底边相连，形成首尾相接的矩形环状结构。

技术方案二：

一种三频极化不敏感的电磁能量收集表面，包括金属结构层、介质基板、接地金属层和匹配电阻阵列；所述金属结构层由一个以上技术方案一所述的收集结构单元组成；所述介质基板上设有与所述各圆形通孔相适配的通孔，所述匹配电阻阵列由一个以上电阻组成，所述各电阻分别置于所述各通孔中，其一端连接所述圆形通孔的边缘，其另一端连接所述金属层。

采用上述技术方案，本发明取得以下有益效果：

1、本发明的收集结构单元用中心对称的结构，实现了极化不敏感的工作特性，适合在极化方式复杂的电磁环境下应用；

2、本发明的收集结构单元利用相邻的矩形谐振环在不同频段下产生不同的耦合效应，达到在三频段产生谐振吸收的目的；

3、本发明的收集表面具有极化不敏感、多频带吸收、剖面低、易共形、重量轻、结构稳固的特点；它采用印刷电路工艺，成本低廉，适合大规模生产，工程应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明的正视图；

图2是这种新型三频极化不敏感电磁能量收集表面的单元结构的正视图；

图3是这种新型三频极化不敏感电磁能量收集表面的单元结构的后视图；

图4是这种新型三频极化不敏感电磁能量收集表面的单元结构所用介质板层的示意图；

图5是这种新型三频极化不敏感电磁能量收集表面对任意极化的垂直入射波的吸收效率随频率的变化以及匹配电阻对该入射波能量的收集效率随频率的变化；

图6是这种新型三频极化不敏感电磁能量收集表面在任意极化电磁波的垂直入射下，匹配电阻对入射波能量的收集效率随频率的变化；

其中：1-金属结构层，2-介质基板，3-接地金属层，4-矩形谐振环，5-圆形通孔，6-电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例作详细说明：

实施例1：

参见图2至图4，一种三频极化不敏感的电磁能量收集结构单元，由四个结构相同的底边开口的矩形谐振环4组成，所述矩形谐振环4顶边中心设有圆形通孔5，所述各矩形谐振环4的一个侧边与其相邻矩形谐振环4的底边相连，形成首尾相接的矩形环状结构。收集结构单元由四个相同的矩形谐振环4按照一定的规则排列成中心对称的形状，对任意线极化和任意圆极化的垂直入射波产生相同的吸收效果，从而达到极化不敏感的目的。按此规则排列的矩形谐振环4在相邻边之间产生不同的耦合效应，而不同的耦合效应对应不同的谐振频率，通过调节金属线的长度、宽度和线间距实现了在1.78GHz、3.86GHz和5.5GHz这三个频点上对电磁能量的有效收集。

实施例2：

参见图1-图4，一种三频极化不敏感的电磁能量收集表面，包括金属结构层1、介质基板2、接地金属层3和匹配电阻阵列；所述金属结构层由一个以上实施例1所述的结收集结构单元组成；所述介质基板2上设有与所述各圆形通孔5相适配的通孔，所述匹配电阻阵列由一个以上电阻6组成，所述各电阻6分别置于所述各通孔中，其一端连接所述圆形通孔5的边缘，其另一端连接所述金属层3。

所述金属结构层1和接地金属层3为金、银或铜。

所述的每一个矩形谐振环4顶边中点开圆形通孔5，与介质基板的通孔相适配，贯通到达接地金属层3,在通孔中放置的电阻6，通过调节其阻值使传递到电阻的能量达到最大，从而实现对电磁能量的有效收集。

本实施例中所述介质基板2的介电常数 =4.4，厚度H =1.524mm。上层和下层为金属涂层，材料为铜。

图5显示了本发明对任意极化的垂直入射波的吸收效率随频率的变化。从图5中可以看出在1.78GHz的吸收效率为97%，3.86GHz的吸收效率为97.3%，5.5GHz的吸收效率为97.8%。图6显示了本发明在任意极化电磁波的垂直入射下，匹配电阻对入射波能量的收集效率随频率的变化。从图6中可以看出匹配电阻对该入射波能量的收集效率在1.78GHz、3.86GHz和5.5GHz三个频点上分别为27.9%、91.7%和80.3%。

本实施例中每一个电阻的阻值均为240欧姆。电阻的阻值大小选择为240欧姆是为了达到阻抗匹配，使被接收的能量尽可能多地传递到电阻上，从而实现对电磁能量的有效收集，以便给外部供能。

本发明在目前主流无线通信系统所使用的三个频段：GSM1800MHz频段、WiMAX频段、WLAN频段上对任意极化的垂直入射波都能保持极化不敏感的工作特性以及获得较高的吸收效率，且接收到的能量能有效地传递到负载中，因此可应用于无线能量传输、无线传感器网络和射频识别等多个领域。

Claims (3)

1.一种三频极化不敏感的电磁能量收集结构单元，其特征在于：由四个结构相同的底边开口的矩形谐振环(4)组成，所述矩形谐振环(4)顶边中心设有圆形通孔(5)，与介质基板的通孔相适配，贯通到达接地金属层(3),在通孔中放置电阻(6)，所述电阻的一端连接所述圆形通孔(5)的边缘，另一端连接所述接地金属层，通过调节其阻值使传递到电阻的能量达到最大，从而实现对电磁能量的有效收集；各矩形谐振环(4)旋转对称设置，所述各矩形谐振环(4)的一个侧边与其相邻矩形谐振环(4)的底边位于同一直线上，形成首尾相接的矩形环状结构。

2.一种三频极化不敏感的电磁能量收集表面，其特征在于：包括金属结构层(1)、介质基板(2)、接地金属层(3)和匹配电阻阵列；所述金属结构层由一个以上如权利要求1所述的收集结构单元组成；所述介质基板(2)上设有与所述各圆形通孔(5)相适配的通孔，所述匹配电阻阵列由一个以上电阻(6)组成，所述各电阻(6)分别置于所述各通孔中，其一端连接所述圆形通孔(5)的边缘，其另一端连接所述金属层(3)。

3.一种如权利要求2所述的三频极化不敏感的电磁能量收集表面，其特征在于：所述金属结构层(1)和接地金属层(3)为金、银或铜。