CN109346835A - 一种新型能量接收器 - Google Patents

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Abstract

一种新型能量接收器，包括总谐振阵列，所述总谐振阵列包括20乘20个周期性谐振单元，每个谐振单元包括4片金属贴片、绝缘介质基板和金属地基板，金属贴片设置于绝缘介质基板正面上，金属地基板设置于绝缘介质基板背面，金属地基板与绝缘介质基板贴合；绝缘介质基板上挖去若干个孔，并在孔的边缘镀上所述金属，形成镀金属孔，在金属地基板上与镀金属孔对应位置设有若干个使绝缘介质基板暴露的端口，端口的数量与镀金属孔的数量相同，端口通过同轴线连接整流电路；与传统的线极化谐振器相比有着结构新颖简单，适用于任意入射方向能量的接收，具有高效率，且介质损耗极小的特点。

Description

一种新型能量接收器
技术领域
本发明属于电磁技术领域，具体涉及一种新型能量接收器。
背景技术
人工电磁结构是具有特殊电磁特性的人工结构，由特定几何形状的亚波长人工结构基本单元非周期或周期排列构成。目前关于人工电磁结构的物理特性研究，及其在定向辐射高性能天线、电磁隐身、空间通信、探测技术和新型太赫兹波段功能器件等领域的应用研究开始成为国际物理学和电磁学界的研究热点。
人类社会发展进入了无线时代，人们获得信息越来越便捷和及时，随时随地的获取能量信息的需求日益强烈。在给国防安全、城市建筑、医疗检测等传感器和其他电子设备供电时，无线能量传输（WPT）成为一种很好的选择。无线能量传输是指能量从能量源传输到电负载的一个过程，摆脱了传统有线传输，通过自由空间来传输。WPT被广泛应用于手机充电，机器人供电，RFID系统功能，微系统技术，微波驱动直升机、空间飞行器等领域。
在WPT过程中，电磁波的极化是必须考虑的重要因素。电磁波的极化是电磁波的一种重要性质，描述的方式是分析电场矢量振荡行为。当电磁波沿着波矢量的方向传播时，随着时间的变化，电场矢量末端所行轨迹可分为直线，椭圆，圆，它们分别对应着的极化方式为线极化，椭圆极化，以及圆极化，其中，辐射线极化波的天线（谐振器）在电磁微波的研究领域有着十分广泛的应用。传统的用于无线输能的线极化谐振器效率较低，且只能适用于单一入射方向能量的接收，对于任意入射方向能量的接收，效率不稳定，损耗大，性能不突出，这在实际应用中带来诸多的不便因素，因此，设计出低损耗、高效率、适用于任意线极化方向的无线输能谐振器，也凸显出重要意义，本发明利用一种人工电磁结构制成了一种新型能量接收器，很好地克服了上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型能量接收器，一种用于任意线极化方向能量接收的二维人工电磁结构，与传统的线极化谐振器相比有着结构新颖简单，适用于任意入射方向能量的接收，具有高效率，且介质损耗极小的特点；包括总谐振阵列，所述总谐振阵列包括20乘20个周期性谐振单元，每个谐振单元包括4片金属贴片、绝缘介质基板和金属地基板，金属贴片设置于绝缘介质基板正面上，金属地基板设置于绝缘介质基板背面，金属地基板与绝缘介质基板贴合；绝缘介质基板上挖去若干个孔，并在孔的边缘镀上所述金属，形成镀金属孔，在金属地基板上与镀金属孔对应位置设有若干个使绝缘介质基板暴露的端口，端口的数量与镀金属孔的数量相同，端口通过同轴线连接整流电路。
优选的，所述金属贴片为矩形，尺寸为15.3mm乘4.6mm。
优选的，所述绝缘介质基板为绝缘f4b介质基板。
优选的，所述金属为铜。
优选的，所述镀金属孔是在绝缘介质基板上挖去若干个孔，并在孔的边缘镀铜而形成的，半径为0.3mm。
优选的，所述镀金属孔的个数为4个。
优选的，每个谐振单元体积为24mm乘24mm乘2.4mm，总谐振阵列的体积为480mm乘480mm乘2.4mm。
优选的，所述整流电路为用于模拟能量传输接收端的电阻负载，为了更好地与传输线匹配，阻值选为50欧姆。
优选的，所述端口的外半径 1.5mm，内半径 0.3mm。
本发明的技术效果和优点：本发明与传统的线极化能量接收器相比，采用形式新颖的人工电磁结构，实现对任意方向的线极化能量高效接收，结构简单，易于加工，通过调节谐振单元各个参量大小，可以便捷实现对于谐振频点及工作频带的调节；每个谐振单元仅占用24mm乘24mm乘2.4mm，总谐振阵列480mm乘480mm乘2.4mm，占用体积很小，完美契合现代无线通信中对于设备小型化理念；在中心工作频点5.8GHz处，本发明对于任意方向线极化电磁能量的接收效率均超过99%，明显高于传统的线极化能量接收谐振器，克服了传统线极化能量接收谐振器只能适用于单一入射方向能量的接收，各个入射角度能量吸收性能差的缺点，介质的损耗极低乃至可以忽略，保证了能量传输效率最大化。
附图说明
图1是本发明总谐振阵列结构示意图；
图2是本发明下谐振单元正面示意图；
图3是本发明金属贴片示意图；
图4是本发明金属贴片背面示意图；
图5是入射极化波与X轴呈零度的极化方向的线极化能量传输效率图；
图6是入射极化波与X轴呈15度的极化方向的线极化能量传输效率图；
图7是入射极化波与X轴呈45度的极化方向的线极化能量传输效率图；
图8是入射极化波与X轴呈60度的极化方向的线极化能量传输效率图；
图9是入射极化波与X轴呈75度的极化方向的线极化能量传输效率图；
图10是入射极化波与X轴呈各个极化方向的线极化能量传输效率汇总图；
图11是各个角度的回波损耗特性s11汇总图；
图12是介质损耗图。
1、金属贴片；11、第一金属贴片；12、第二金属贴片；13、第三金属贴片；14、第四金属贴片；2、镀金属孔；3、绝缘介质基板；4、金属地基板；5、整流电路；6、端口；A、谐振单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图1-12所示的一种实施方式，一种新型能量接收器，包括总谐振阵列，所述总谐振阵列包括20乘20个周期性谐振单元A，每个谐振单元A体积为24mm乘24mm乘2.4mm，总谐振阵列的体积为480mm乘480mm乘2.4mm，每个谐振单元A包括4片金属贴片1、绝缘介质基板3和金属地基板4，金属贴片1设置于绝缘介质基板3正面上，金属地基板4设置于绝缘介质基板3背面，金属地基板4与绝缘介质基板3贴合，金属贴片1为矩形，个数为4个，尺寸为15.3mm乘4.6mm，所述金属为铜；绝缘介质基板3为绝缘f4b介质基板，绝缘介质基板3上设有4个镀金属孔2，所述镀金属孔2是在绝缘介质基板3上挖去4个孔，并在孔的边缘镀金属而形成的，半径为0.3mm，在金属地基板上4与镀金属孔2对应位置设有4个使绝缘介质基板暴露的端口6，端口6的数量与镀金属孔的数量相同，端口6通过同轴线连接整流电路5，整流电路5为用于模拟能量传输接收端的电阻负载，为了更好地与传输线匹配，阻值优选为50欧姆，端口6的外半径 1.5mm，内半径 0.3mm。
当与XOY平面垂直、与X轴呈各个方向的线极化电磁能量入射到如图1所示的阵列时，阵列的能量接收效率如图5-图9所示，现用图6来举例说明：当入射极化波与X轴呈15度极化方向时，能量将损耗在阵列各个端口处的电阻负载上，损耗的百分比等效为对能量的采集效率，显然电磁能量沿着X轴与Y轴的分量是不同的，沿着X轴的分量要大于Y轴的分量，这使得每个谐振单元的金属贴片1中第一金属贴片11和第三金属贴片13所对应端口的接收效率大于第二金属贴片12和第四金属贴片14所对应端口的接收效率，而将阵列所有端口的能量接收效率取和，会发现能量接收效率高于99%，同理适用于其它入射方向。图10证明了本发明对于各个方向线极化能量接收的适应性好、接收效率一致性极高且超过99%的性能。结构的s11如图11所示，各个极化方向的s11保持高度一致性，突出显示出本发明的稳定性。结构的介质损耗如图12所示，可见其介质损耗极小，这突出了本发明的实际有效性。
在演示中，将端口整流电路等效为电阻负载，以代表输出端口整流电路的输入阻抗。能量采集机制为：当5.8GHz的任意极化方向的线极化能量垂直入射到该人工电磁结构时，发生谐振，各个端口处的电阻负载模拟端口对能量的采集。
由以上说明可知，在中心工作频点5.8GHz处，该结构将超过99%的电磁能量成功采集并吸收到负载上。
图5至图9中曲线只有两条，但题标有四个，这是因为图5至图9中，11的曲线和13的曲线重合了，12的曲线和14的曲线重合了。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新型能量接收器，其特征在于：包括总谐振阵列，所述总谐振阵列包括20乘20个周期性谐振单元（A），每个谐振单元（A）包括4片金属贴片（1）、绝缘介质基板（3）和金属地基板（4），金属贴片（1）设置于绝缘介质基板（3）正面上，金属地基板（4）设置于绝缘介质基板（3）背面，金属地基板（4）与绝缘介质基板（3）贴合；绝缘介质基板（3）上挖去若干个孔，并在孔的边缘镀上所述金属，形成镀金属孔（2），在金属地基板上（4）与镀金属孔（2）对应位置设有若干个使绝缘介质基板暴露的端口（6），端口（6）的数量与镀金属孔的数量相同，端口（6）通过同轴线连接整流电路（5）。
2.根据权利要求1所述的新型能量接收器，其特征在于：所述金属贴片（1）为矩形，尺寸为15.3mm乘4.6mm。
3.根据权利要求2所述的新型能量接收器，其特征在于：所述绝缘介质基板（3）为绝缘f4b介质基板。
4.根据权利要求3所述的新型能量接收器，其特征在于：所述金属为铜。
5.根据权利要求4所述的新型能量接收器，其特征在于：所述镀金属孔（2）是在绝缘介质基板（3）上挖去若干个孔，并在孔的边缘镀铜而形成的，半径为0.3mm。
6.根据权利要求5所述的新型能量接收器，其特征在于：所述镀金属孔（2）的个数为4个。
7.根据权利要求6所述的新型能量接收器，其特征在于：每个谐振单元（A）体积为24mm乘24mm乘2.4mm，总谐振阵列的体积为480mm乘480mm乘2.4mm。
8.根据权利要求7所述的新型能量接收器，其特征在于：所述整流电路（5）为用于模拟能量传输接收端的电阻负载，为了更好地与传输线匹配，阻值选为50欧姆。
9.根据权利要求8所述的新型能量接收器，其特征在于：所述端口（6）的外半径 1.5mm，内半径 0.3mm。
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