CN106410395A - 超材料整流表面 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波能量传输技术。本发明公开了一种超材料整流表面，包括介质基板、n个微带结构单元和n个整流单元；所述n个微带结构单元布置在所述基板正面，所述n个整流单元布置在所述基板背面；所述n个微带结构单元接收电磁波能量并传输到对应的n个整流单元，所述微带结构单元由微带缝隙和/或微带贴片构成，所述微带结构单元与自由空间阻抗匹配，所述微带结构单元与对应整流单元阻抗匹配；所述n个整流单元串联和/或并联输出直流电；n为整数，n≥2。本发明的超材料的整流表面能够高效率吸收正面入射的电磁波；吸收的电磁波能够最大程度被转换成直流输出；输出电流和电压可以根据需要进行串联和/或并联输出。

Description

超材料整流表面

技术领域

本发明涉及微波能量传输技术，特别涉及一种基于超材料的微波整流表面。

背景技术

作为微波应用技术之一，微波无线能量传输是以微波为载体，通过发射天线和接收整流设备进行微波能量的发射和接收，实现远距离的能量无线传送，在空间太阳能电站等诸多领域有广阔的应用前景。

微波无线能量传输系统中，整流天线是当前常用的能量接收整流设备，它由接收天线和整流电路组成。它通过接收天线捕获空间中微波能量，再由整流电路将微波能量转换为直流能量并输出。整流天线通常体积庞大，组装复杂，并且实现接收天线和整流电路之间良好的阻抗和功率匹配有相当大难度。

微波整流表面是一种新型微波能量接收和整流结构，它由若干超材料(Metamaterials)单元组成，这些单元是对微波电磁场产生强烈谐振的周期结构。超材料单元连接小型化的整流电路(由整流二极管、微带线及电阻、电感和电容等外围元器件组成)，可以实现接收空间微波能量并转化为直流输出的功能。相对比传统整流天线，微波整流表面结构紧凑，理论上可实现对空间微波能量更高的接收和整流效率。

2015年在《Applied Physics Letters》中发表的论文“Metamaterialelectromagnetic energy harvester with near unity efficiency”(106,153902)介绍了一种超材料能量采集装置，能对入射微波进行接近完全的吸收，但该装置中采用电阻而不是整流二极管，不能将接收的微波能量转换成直流能量。2014年在《IEEE Transactionson Microwave Theory and Techniques》中论文“Optimal Matched Rectifying Surfacefor Space Solar Power Satellite Applications”(Vol.62,No.4)介绍了一种微波整流表面，但该微波整流表面将整流二极管集成在正面的超材料单元中，由于整流二极管暴露在入射微波场，对二极管工作状态有难以预测的影响。此外，该微波整流表面中整流电路过于简单，不够完善，只能工作在低功率密度微波能量入射状态下，且整流效率很低，不具备工程应用价值。

下面简单介绍一下本发明涉及的三个技术名词：超材料、微波整流电路和微带结构。

超材料是指具有天然材料所不具备独特物理性质的人工复合结构或复合材料。例如具有负介电常数和负磁导率的左手材料、频率选择表面(Frequency SelectiveSurface,FSS)、高阻表面(High Impedance Surface)等。超材料的独特电磁特性使其得到了广泛应用，包括空间无线能量收集。

微波整流电路通常由整流二极管、微带线及电阻、电感和电容等外围元器件组成，将输入的交变信号转换成直流信号。

微带结构包括介质基板和金属层，金属层通常是通过涂敷工艺在介质基板表面形成的金属涂覆层或采用黏贴工艺形成的金属贴片层。金属层可以形成于介质基板的一面或两面，如常用的单面和双面印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)。为了实现各种功能，通常在金属层上通过刻蚀、剪贴工艺制成各种微带单元，如保留在介质基板表面的各种形状的金属块(称为微带贴片)或在金属层形成的各种形状的微带缝隙(去掉金属部分而露出介质基板的图案)，这些微带单元具有不同的功能，可以构成微带滤波器、微带耦合器、微带传输线、微带天线等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种基于超材料的整流表面，利用微带结构构成的超材料单元，集成整流电路对入射微波能量进行接收和整流。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，超材料整流表面，包括介质基板、n个微带结构单元和n个整流单元；所述n个微带结构单元布置在所述基板正面，所述n个整流单元布置在所述基板背面；所述n个微带结构单元接收电磁波能量并传输到对应的n个整流单元，所述微带结构单元由微带缝隙和/或微带贴片构成，所述微带结构单元与自由空间阻抗匹配，所述微带结构单元与对应整流单元阻抗匹配；所述n个整流单元串联和/或并联输出直流电；n为整数，n≥2。

本发明的技术方案，采用微带结构单元对入射电磁波进行吸收，并将吸收的电磁能量最大化导入背面的整流电路进行整流。本发明利用微带结构单元构成超材料，具有与自由空间波阻抗匹配的特性，对电磁波具有强烈的吸收和极小的反射，通过改变微带结构单元中微带缝隙和/或微带贴片的参数，如形状、大小、位置等，可以对微带结构单元的工作频率进行调整，实现对电磁波的最大化吸收。由于可供调整的参数比较多，本发明可以为高品质整流表面提供更大的设计自由度。本发明利用n个整流单元通过串联和/或并联输出直流电，可以根据实际需要进行组合，实现不同电压和电流的输出，为后续电能的处理带来极大的方便。

本发明的超材料整流表面采用微带结构作为电磁波捕获单元，与微带整流天线形式上有类似的地方，但其工作原理和设计思路完全不同。在微波能量传输领域，天线(包括微带天线)的设计是以增益、方向图、口径/辐射效率等性能指标为导向。而微带结构构成的超材料单元是以实现两项阻抗匹配，即超材料单元与自由空间的阻抗匹配和超材料单元与整流电路之间阻抗匹配为设计导向。由于超材料单元与整流电路之间直接连接，既无法定义，也无法测试增益、方向图、口径/辐射效率等性能指标。其次，超材料单元的尺寸一般为1/14至1/4工作波长，远远小于微带天线的单元尺寸(通常为1/2工作波长)。

优选的，所述微带结构单元尺寸≤λ/4，λ为所述电磁波波长。

优选的，所述微带结构单元谐振于所述电磁波频率。

优选的，所述n个微带结构单元排列成i×k的阵列；i、k为整数，i×k＝n。

可选的，所述n个微带结构单元结构相同或不同。

可选的，所述n个微带结构单元之间距离相同或不同。

具体的，所述整流单元由微带线及连接的贴片整流元件构成。

具体的，所述整流单元工作频率与所述电磁波频率相同。

本发明的整流单元采用微带贴片构成电路，利用微带结构单元吸收的电磁波能量进行整流输出，通过改变微带贴片的形状、大小和位置调整工作频率，实现对应频率交变电流的整流，能够实现更高效率的整流输出。结合整流元件参数的调整，可以为高品质整流表面提供更大的设计自由度。

特别的，所述整流表面安装在支撑体表面，所述基板为柔性基板可以与所述支撑体表面共形。

优选的，所述支撑体为飞行器。

本发明的有益效果是，能够高效率吸收正面入射的电磁波；吸收的电磁波能够最大程度被转换成直流输出。本发明整流电路位于整流表面的背面，不受入射电磁能量的干扰，且有足够的空间进行设计和调节，有助于无线能量传输系统工作在大功率密度下，获得最大系统效率。本发明的技术方案可以应用于各种无线能量传输系统，并且工程上实施简便易行。本发明的超材料单元和整流电路都可以通过在介质基板表面形成微带结构构成，可采用多层板印刷电路工艺进行加工制作，具有成本低、加工精度高和易于大批量制作的优点。本发明可以通过对微带结构的适当设计，实现针对不同频率和不同入射能量密度的接收和整流，并保持较高的接收效率和整流效率。本发明的输出电流和电压，可以根据需要进行串联和/或并联输出。

附图说明

图1是实施例1的正面示意图；

图2是实施例1的任意一微带结构单元示意图；

图3图2所示微带结构单元对应的整流电路示意图；

图4是图2的P-P剖视图；

图5是实施例1整流表面的整流效率示意图。

图中，1为微带结构单元；10为微带贴片；11为金属过孔；12为上层基板；2为整流单元；20为微带贴片电路走线；21为金属盲孔；22为下层基板，23为金属地；24为金属地挖空；25为贴片二极管；26为贴片电容；27为贴片电阻。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明利用介质基板表面分布的n个大小、形状、距离相同或不同的微带结构单元，布置于入射电磁波正对方向，通过调整微带结构单元的形状、大小、位置，改变对特定频率电磁波的反射和透射特性，使其反射最小，吸收最大。本发明的整流电路位于整流表面的背面，不受入射电磁能量的干扰，通过调整整流电路的形状、大小和位置，实现最大化直流能量的输出。

实施例1

本例超材料整流表面正面如图1所示，整个整流表面为边长T＝120mm的正方形。其中包括36个尺寸相同的微带结构单元1及其对应的36个整流单元2。36个微带结构单元排列成6×6的矩阵，每个微带结构单元边长L＝20mm，约为入射电磁波频率2.45GHz对应波长的1/6。参见图2、图3和图4所示，本例微带结构单元1包括微带贴片10、金属过孔11、基板12。图2中，露出基板12的部分可以看成是微带缝隙。基板12介电常数为2.65，厚度为3mm。图中标注的主要尺寸为：a＝18.1mm，b＝13.4mm，c＝9mm，g＝1.1mm，w1＝1.4mm，w2＝1.1mm。通过调整这些尺寸，以及微带结构单元1之间的距离、位置等，可以非常方便的调整微带单元的工作频率，使其谐振于入射电磁波的频率，实现电磁波的最大化接收。本例整流单元2具有微带结构，由一块厚度为1mm，介电常数为2.65的下层基板22及其表面分布的微带贴片电路走线20、金属盲孔21、金属地23、金属地挖空24构成，如图3所示。图3中，微波整流二极管25为贴片二极管(型号为HSMS-282B)、贴片电容26(10pF)、贴片电阻27(850Ω)构成本例的整流元件。图3中标注的主要尺寸为：a1＝6.3mm，b1＝10.4mm，c1＝7.05mm，d＝1mm，g1＝4.15mm，h＝2.05mm，j＝0.5mm。通过调整上述尺寸以及整流元件的参数等，可使整流单元的工作频率等于接收的电磁波频率，实现整流效率的最大化。图4所示的剖视图中可以看到，金属过孔11穿过上层基板12、金属地挖空24和下层基板22，将微带贴片10和微带贴片电路走线20连接起来，将微带结构单元1吸收的微波能量传递到整流单元2。金属盲孔21穿过下层基板22，将微带电路走线20和金属地23连接，形成本单元电路回路，金属盲孔21与金属过孔11之间的距离c＝9mm。

本例超材料整流表面，接收电磁波的36个微带结构单元可以采用一张单面印刷电路板加工制成，对应的36个整流单元可以制作在一张双面印刷电路板上。两张电路板制作完成后按照图4所示位置关系进行重叠安装，并完成后盲孔、过孔及贴片元件的装配。整个生产流程与普通印刷电路板制作工艺基本相同，可以采用现行成熟技术和工艺，降低生产成本和提高生产效率。

由图5所示的本例超材料整流表面整流效率示意图可见，由正面的超材料单元和背面的整流单元组成的整流表面，非常适合用于提高微波能量传输系统的微波转换效率。本例入射电磁波为频率2.45GHz的微波，在入射功率密度为5mW/cm²时，整流效率达到66.9％。改变上述微带结构单元1中微带贴片10结构尺寸和整流单元中微带贴片电路走线20的尺寸，以及贴片电容26、贴片电阻27的值，可以调整整流表面的工作频率和最佳工作入射功率密度。

由于本发明的微带结构单元尺寸远远小于工作频率对应波长(通常为1/14～1/4)，微带结构单元通常都非常小，即使基板有一定的变形，对微带结构单元的形状影响也不大，其电磁波传输特性基本不会发生大的变化。在上述实施例中，如果采用柔性基板，可以将整个整流表面安装到具有一定曲率的支撑体表面，并使整流表面与支撑体表面共形。这样本发明就可以非常方便的安装到各种飞行器的表面，而不会改变飞行器的空气动力学特征，非常适用于对飞行器，如无人机等的微波供能，极大地延长无人机的滞空时间。

Claims (10)

1.超材料整流表面，包括介质基板、n个微带结构单元和n个整流单元；所述n个微带结构单元布置在所述基板正面，所述n个整流单元布置在所述基板背面；所述n个微带结构单元接收电磁波能量并传输到对应的n个整流单元，所述微带结构单元由微带缝隙和/或微带贴片构成，所述微带结构单元与自由空间阻抗匹配，所述微带结构单元与对应整流单元阻抗匹配；所述n个整流单元串联和/或并联输出直流电；n为整数，n≥2。

2.根据权利要求1所述的超材料整流表面，其特征在于，所述微带结构单元尺寸≤λ/4，λ为所述电磁波波长。

3.根据权利要求2所述的超材料整流表面，其特征在于，所述微带结构单元谐振于所述电磁波频率。

4.根据权利要求1所述的超材料整流表面，其特征在于，所述微带结构单元排列成i×k的阵列；i、k为整数，i×k＝n。

5.根据权利要求1所述的超材料整流表面，其特征在于，所述n个微带结构单元结构相同或不同。

6.根据权利要求1所述的超材料整流表面，其特征在于，所述n个微带结构单元之间距离相同或不同。

7.根据权利要求1所述的超材料整流表面，其特征在于，所述整流单元由微带贴片及连接的整流元件构成。

8.根据权利要求7所述的超材料整流表面，其特征在于，所述整流单元工作频率与所述电磁波频率相同。

9.根据权利要求1～8任意一项所述的超材料整流表面，其特征在于，所述整流表面安装在支撑体表面，所述基板为柔性基板可以与所述支撑体表面共形。

10.根据权利要求9所述的超材料整流表面，其特征在于，所述支撑体为飞行器。