CN109473786A - 一种适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，包括若干个等行等列沿正交方向排列的谐振单元；谐振单元包括基板、四个绝缘体和四个L型柱体；其中，绝缘体固定嵌在基板的基板通孔中；绝缘体具有插线孔，插线孔为通孔；L型柱体设置在基板上，具有相互垂直的两段，一段垂直于基板表面，端部固定插在插线孔中，另一段平行于基板表面；L型柱体与绝缘体一一对应，四个绝缘体呈正方形顶点分布，四个L型柱体围成正方形，且相邻的L型柱体之间不接触；各谐振单元的基板之间无缝相接。本发明具有高效、任意线极化无线输能等优点。
Description
技术领域
本发明属于电磁技术领域，涉及一种电磁结构，尤其涉及一种适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构。
背景技术
人工电磁结构定义为人工制造的均匀电磁结构，具有自然所没有的反常特性，是由特定的几何形状的亚波长人工结构的基本单元非周期或周期排列构成的电磁材料结构。其具有自然界中原有材料所不具备的独特性质，其中出现了许多全新的物理现象。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，这个过程摆脱了传统有线传输，通过自由空间来传输。无线输能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，性能不突出，这在实际应用中带来诸多的不便因素。
发明内容
本发明提供一种适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，以克服现有技术的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，包括若干个等行等列沿正交方向排列的谐振单元；谐振单元包括基板、四个绝缘体和四个L型柱体；其中，绝缘体固定嵌在基板的基板通孔中；绝缘体具有插线孔，插线孔为通孔；L型柱体设置在基板上，具有相互垂直的两段，一段垂直于基板表面，端部固定插在插线孔中，另一段平行于基板表面；L型柱体与绝缘体一一对应，四个绝缘体呈正方形顶点分布，四个L型柱体围成正方形，且相邻的L型柱体之间不接触；各谐振单元的基板之间无缝相接。
其中，“沿正交方向排列”是指，每行谐振单元与每列谐振单元相互垂直。
进一步，本发明提供一种适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，还可以具有这样的特征：其中，L型柱体的两个所述段的长度不等，短段垂直于基板表面，长段平行于基板表面。
进一步，本发明提供一种适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，还可以具有这样的特征：其中，L型柱体的高度与长度之比为8:16.9。
进一步，本发明提供一种适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，还可以具有这样的特征：其中，基板为正方形。
进一步，本发明提供一种适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，还可以具有这样的特征：其中，四个L型柱体与基板的四条边一一对应；L型柱体的平行于基板表面的段，与和其对应的基板边平行。
进一步，本发明提供一种适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，还可以具有这样的特征：其中，各L型柱体，与和其对应的基板边的距离均相等。
其中，与L型柱体对应的基板边，即为与L型柱体平行的基板边。
进一步，本发明提供一种适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，还可以具有这样的特征：其中，绝缘体呈圆柱形；插线孔设置在绝缘体的中心处。
进一步，本发明提供一种适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，还可以具有这样的特征：其中，绝缘体的外半径与内半径之比为2.4:0.5。
进一步，本发明提供一种适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，还可以具有这样的特征：其中，绝缘体两端的端面与基板的相应表面平齐。
进一步，本发明提供一种适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，还可以具有这样的特征：其中，基板和L型柱体的材料为铜；和/或，绝缘体的材料为聚四氟乙烯。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，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，能够实现对任意方向线极化能量的高效率接收，结构简单且易于加工，通过调节谐振单元各个参量大小，可以方便的实现对于谐振频率，工作频点的调节。其次，每个谐振单元仅占用29.4mm乘29.4mm乘8mm，占用体积很小，与现代无线通信中对于设备小型化的要求契合度很好。另外，在中心工作频点5.8GHz处，能量采集效率实现高于99％，高于传统的线极化能量接收的谐振器，且对于任意极化方向的线极化电磁波均能实现高于99％的能量接收，弥补了传统线极化能量接收谐振器工作对各个入射角度能量吸收性能差的缺点。本发明具有高效、任意线极化无线输能等优点。
附图说明
图1是人工电磁结构的结构示意图；
图2是谐振单元的立体图；
图3是谐振单元的俯视图；
图4是谐振单元的仰视图；
图5a是各L型柱体的标示图；
图5b是人工电磁结构的与x轴正方向呈0度极化方向的线极化能量传输效率图；
图5c是人工电磁结构的与x轴正方向呈30度极化方向的线极化能量传输效率图；
图5d是人工电磁结构的与x轴正方向呈45度极化方向的线极化能量传输效率图；
图5e是人工电磁结构的与x轴正方向呈60度极化方向的线极化能量传输效率图；
图5f是人工电磁结构的与x轴正方向呈75度极化方向的线极化能量传输效率图；
图6是人工电磁结构的与x轴正方向呈各个极化方向的线极化能量传输效率汇总图；
图7是人工电磁结构的各个角度的s11汇总图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供一种适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，包括20行×20列个沿正交方向规则排列的谐振单元1。其中，“沿正交方向排列”是指，每行谐振单元与每列谐振单元相互垂直。
本实施例中，谐振单元的数量可以根据需要设制，需满足呈等行等列周期性正交排列。
如图2-4所示，谐振单元1包括基板11、四个绝缘体12和四个L型柱体13。
基板11为正方形。
基板11的材料为铜。基板11的边长与厚度之比为29.4:2，优选的，基板11的尺寸为29.4mm×29.4mm×2mm。
绝缘体12呈圆柱形，固定嵌在基板11的基板通孔中。绝缘体12两端的端面与基板11的相应表面平齐。四个绝缘体12呈正方形顶点分布。
绝缘体12的中心具有插线孔，插线孔为通孔。
绝缘体12的材料为聚四氟乙烯。绝缘体12的外半径与内半径之比为2.4:0.5，优选的，外半径尺寸为2.4mm，内半径尺寸为0.5mm。
L型柱体13设置在基板11上，具有相互垂直的短段131和长段132，短段131垂直于基板11表面，端部固定插在插线孔中，长段132平行于基板11表面。
L型柱体13与绝缘体12一一对应，四个L型柱体13围成正方形，且相邻的L型柱体13之间不接触。
四个L型柱体13与基板11的四条边一一对应，L型柱体13的长段132与和其对应的基板11的边平行。各L型柱体13与和其对应的基板11边的距离均相等，设为d。
L型柱体13的高度与长度之比为8:16.9，优选的，L型柱体13的高度为8mm，长度为16.9mm。其中，L型柱体13的高度是指L型柱体13凸出于基板11表面的高度，长度是指L型柱体13平行于基板11表面部分的长度。
L型柱体13的长段132与和其对应的基板11边的距离d为4.4mm。
L型柱体13的材料为铜，铜线的半径为0.5mm。
各谐振单元1的基板11之间无缝相接，制作时，20×20个基板11一体成型，构成整体电磁结构。
电磁结构的端口为各螺旋线13插入绝缘体12的端部。绝缘体12的后端可通过同轴线连接整流电路，本实施例中，将端口整流电路等效为电阻负载，该电阻负载代表输出端口整流电路的输入阻抗。如图4所示，电阻负载2焊接在绝缘体12的底端端面，其端部与L型柱体13连接，用于模拟能量传输接收端，为了更好地与传输线匹配，阻值选为50欧姆。
如图5a所示，为区分不同位置的L型柱体的能量接收效率，分别将四个L型柱体标示为13-1、13-2、13-3和13-4。如图5b-f是人工电磁结构的与x轴正方向呈0、30、45、60、75度极化方向的线极化能量传输效率图。以图5c举例说明，当入射极化波与X轴正半轴呈30度极化方向时，电磁波沿着X轴正方向与Y轴正方向的分量是不同的，能量将损耗在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，这时沿着X轴正方向的分量要大于Y轴正方向的分量，这使得L型柱体13-1和L型柱体13-3所对应端口的接收效率大于L型柱体13-2和L型柱体13-4对应接收效率，而将四根L型柱体所接收能量的总和相加，会发现能量接收效率高于99％，同理适用于其它各个入射角度。
如图6所示，本发明对于各个角度线极化能量接收的适应性好、接收效率一致且高于99％的性能。
如图7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。
由以上数据可知，在中心工作频点5.8GHz时，各个角度入射的线极化波均有超过99％的能量被负载吸收，在铜制基板、聚四氟乙烯绝缘体和铜制L型柱体中的能量损耗几乎可以忽略。
Claims (10)
1.一种适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，其特征在于：
包括若干个等行等列沿正交方向排列的谐振单元；
所述谐振单元包括基板、四个绝缘体和四个L型柱体；
其中，所述绝缘体固定嵌在所述基板的基板通孔中；
所述绝缘体具有插线孔，插线孔为通孔；
所述L型柱体设置在基板上，具有相互垂直的两段，一段垂直于基板表面，端部固定插在所述插线孔中，另一段平行于基板表面；
所述L型柱体与绝缘体一一对应，四个绝缘体呈正方形顶点分布，四个L型柱体围成正方形，且相邻的L型柱体之间不接触；
各所述谐振单元的基板之间无缝相接。
2.根据权利要求1所述的适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，其特征在于，其特征在于：
其中，所述L型柱体的两个所述段的长度不等，短段垂直于基板表面，长段平行于基板表面。
3.根据权利要求2所述的适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，其特征在于，其特征在于：
其中，所述L型柱体的高度与长度之比为8:16.9。
4.根据权利要求1所述的适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，其特征在于，其特征在于：
其中，所述基板为正方形。
5.根据权利要求4所述的适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，其特征在于，其特征在于：
其中，四个所述L型柱体与基板的四条边一一对应；
所述L型柱体的平行于基板表面的段，与和其对应的基板边平行。
6.根据权利要求5所述的适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，其特征在于，其特征在于：
其中，各所述L型柱体，与和其对应的基板边的距离均相等。
7.根据权利要求1所述的适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，其特征在于，其特征在于：
其中，所述绝缘体呈圆柱形；
所述插线孔设置在绝缘体的中心处。
8.根据权利要求7所述的适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，其特征在于，其特征在于：
其中，所述绝缘体的外半径与内半径之比为2.4:0.5。
9.据权利要求1所述的适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，其特征在于，其特征在于：
其中，所述绝缘体两端的端面与所述基板的相应表面平齐。
10.根据权利要求1所述的适用于任意极化方向能量接收的复合人工电磁结构，其特征在于，其特征在于：
其中，所述基板和L型柱体的材料为铜；
和/或，所述绝缘体的材料为聚四氟乙烯。
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