CN111682649A - 一种基于超表面的电磁能量收集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超表面的电磁能量收集器，包括上层金属层、下层金属层、金属通孔、位于上层金属层和下层金属层之间的介质层；上层金属层上包括四个相同的U形槽方形贴片，四个相同的U形槽方形贴片之间旋转对称；下层金属层上开设圆形孔，圆形孔的位置与U形槽方形贴片的中心位置重合；金属通孔设置于每个U形槽方形贴片的几何中心位置，并贯穿介质层，垂直于下层金属层；金属通孔底端和下层金属层之间连接电阻。本发明在5.8GHz具有十分好的能量吸收能力、极化不明感以及角度稳定性，且可针对复杂的电子环境，用于微波输能及环境电磁波的收集。

Description

一种基于超表面的电磁能量收集器

技术领域

本发明属于收集器的技术领域，具体涉及一种基于超表面的电磁能量收集器。

背景技术

在18世纪，Nicola Teslas成功地证明了无线电力传输(WPT,Wireless PowerTransfer)的实用性。60年后，第一个以微波状态运行的WPT系统由布朗演示。在WPT系统中，直流电源被馈送到发送电路，将其转换为交流电。然后将AC信号馈送到天线，该天线通过空间将能量传输到远程接收系统(整流天线)，该远程接收系统收集RF能量并将其转换为可用的DC功率。整流天线是用于将微波能量转换为直流电源的WPT系统的接收成分，它通常由三部分组成：天线、匹配网络以及整流电路。整流天线广泛应用于遥感、RFID标签和能量收集等领域。其中，天线起到至关重要的作用。

2012年，Omar M.Ramahi等人提出在传统的开口谐振环(SRR)的开口处加载电阻来收集能量，这为利用超材料收集电磁能量提供了可能，自此展开了超表面收集电磁能量的研究。近年来，国内外学者们对基于超材料的能量收集器进行了大量研究，包括对宽带、多频、多极化、宽入射角电磁波的吸收。能量收集器是收集电磁能量，然而绝大多数能量被消耗在介质基板和金属中，不能回收再利用。

中山大学申请的专利“一种基于W I F I频段的微带整流天线”(申请号：201510115925.5)，该专利公开的技术方案是采用常规微带天线作为能量收集装置，天线的结构尺寸较大，不利用系统的集成小型化。

上海大学申请的专利“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)，该专利公开的技术方案采用多个负载电阻的方式收集无线能量，负载电阻的个数较多，从而需要的整流电路个数多，增加了系统的设计复杂度，以及带入了较大的损耗，不利于实际应用。

西安电子科技大学申请的专利“基于电磁超表面的环境射频微能量收集装置”(申请号：201610470948.2)，该专利设计的超表面电磁结构采用单层介质层，实现了结构简单紧凑，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较高的能量收集效率，但是能量却并没有在电阻中消耗。

电子科技大学申请的专利“基于超表面结构的无线能量收集装置”(申请号：201910021793.8)，该专利公开的技术简化了现有能量收集装置的结构，降低了能量收集装置的制作成本，同时有效提高了能量收集装置的效率；但是无法在入射电磁波为任意极化方式，宽角度入射范围内保持较高的能量收集效率。

综上分析，目前空间无线能量收集面临的主要问题如下：

1)常规整流天线的尺寸较大，不能满足无线能量收集装置小型化的需求；

2)现有的超表面结构较复杂，能量不能引出在负载中消耗。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种基于超表面的电磁能量收集器，以解决常规整流天线的尺寸较大，不能满足无线能量收集装置小型化的需求，以及现有的超表面结构较复杂，能量不能引出在负载中消耗的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于超表面的电磁能量收集器，其包括上层金属层、下层金属层、金属通孔、位于上层金属层和下层金属层之间的介质层；

上层金属层印制于介质层上表面，下层金属层印制于介质层下表面；上层金属层上包括四个相同的U形槽方形贴片，四个相同的U形槽方形贴片之间旋转对称；下层金属层上开设圆形孔，圆形孔的位置与U形槽方形贴片的中心位置重合；金属通孔设置于每个所述U形槽方形贴片的几何中心位置，并贯穿介质层，垂直于下层金属层；金属通孔底端和下层金属层之间连接电阻。

优选地，U形槽方形贴片通过至少90°的旋转与其相邻的U形槽方形贴片的位置重合。

优选地，介质层的相对介电常数ε'为2.2，损耗角正切tanδ为0.0009。

优选地，介质层的高度为1.00mm，长度为25.6mm，宽度为25.6mm。

优选地，U形槽方形贴片中的方形贴片呈正方形，其边长a为12mm。

优选地，相邻U形槽方形贴片之间的间隙s为0.8mm。

优选地，U形槽方形贴片中的U形槽的两边和底边的长度L为6mm，宽度width为0.8mm。

优选地，金属通孔的直径为0.2mm。

优选地，下层金属层上的圆形孔直径为0.69mm。

优选地，电阻的电阻值为50Ω。

本发明提供的基于超表面的电磁能量收集器，具有以下有益效果：

本发明通过金属柱将上层能量引出在电阻中消耗，并具有亚波长结构，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。除此，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。即有效地解决了常规整流天线的尺寸较大，不能满足无线能量收集装置小型化的需求，以及现有的超表面结构较复杂，能量不能引出在负载中消耗的问题。

附图说明

图1为基于超表面的电磁能量收集器的结构图。

图2为基于超表面的电磁能量收集器在电磁波垂直入射时的横电、横磁极化波的负载收集能量曲线图。

图3为基于超表面的电磁能量收集器在电磁波倾斜30°入射时的横电、横磁极化波的负载收集能量曲线图。

图4为基于超表面的电磁能量收集器在电磁波倾斜60°入射时的横电、横磁极化波的负载收集能量曲线图。

其中，1、上层金属层；2、介质层；3、下层金属层；4、金属通孔；5、电阻。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，参考图1，本方案的基于超表面的电磁能量收集器，包括上层金属层1、下层金属层3、金属通孔4、位于上层金属层1和下层金属层3之间的介质层2。

以下将对上述各个部件进行详细描述

上层金属层1印制于介质层2上表面，下层金属层3印制于介质层2下表面，上层金属层1上包括四个相同的U形槽方形贴片，四个相同的U形槽方形贴片之间旋转对称。

U形槽方形贴片中的方形贴片呈正方形，其边长a为12mm，U形槽方形贴片中的U形槽的两边和底边的长度L为6mm，宽度width为0.8mm，相邻U形槽方形贴片之间的间隙s为0.8mm。

其中一个U形槽方形贴片通过至少90°的旋转与其相邻的U形槽方形贴片的位置重合。

下层金属层3上开设圆形孔，圆形孔的位置与U形槽方形贴片的中心位置重合，金属通孔4的直径为0.2mm。

金属通孔4设置于每个所述U形槽方形贴片的几何中心位置，并贯穿介质层2，垂直于下层金属层3，金属通孔4底端和下层金属层3之间连接电阻5。

其中，介质层2的相对介电常数ε'为2.2，损耗角正切tanδ为0.0009；介质层2的高度为1.00mm，长度为25.6mm，宽度为25.6mm。

下层金属层3上的圆形孔直径为0.69mm，电阻5的电阻5值为50Ω。

本发明通过金属柱即金属通孔4将上层能量引出在电阻5中消耗，能量收集表面的单元由4个相同的U型槽贴片旋转对称排列而成，其中每个U型槽贴片的能量由金属柱即金属通孔4向下引出。本发明的结构在5.8GHz具有十分好的能量吸收能力、极化不明感以及角度稳定性；且针对复杂的电磁环境，可用于微波输能及环境电磁波的收集。

根据本申请的一个实施例，通过在电磁软件CST STUDIO SUITE建模，在能量收集装置频带4-8GHz内进行本发明收集器的仿真。

参考图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负载收集能量的对比分析。

图2中的横轴表示频率，纵轴表示负载收集的能量，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负载收集能量的仿真曲线，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负载收集能量的仿真曲线。从本发明仿真的电磁波垂直入射时的横电、横磁极化波的负载收集的能量曲线可看出，两条曲线基本重合，在5.8GHz时负载吸收能量为0.48W(总能量0.5W)，吸收效率都达到96％，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。

参考图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收集能量的对比分析。

图3中的横轴表示频率，纵轴表示负载收集的能量，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负载收集能量的仿真曲线，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负载收集能量的仿真曲线。从本发明仿真的电磁波倾斜30°入射时的横电、横磁极化波的负载收集能量曲线可看出，在5.8GHz时负载收集能量为0.43W(总能量0.5W)，最高效率达到87％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。

参考图4，对本发明在电磁波倾斜60°入射时的横电、横磁极化波的两条曲线图进行负载收集能量的对比分析。

图4中的横轴表示频率，纵轴表示负载收集的能量，图4中以圆形标示的曲线代表本发明在电磁波倾斜60°入射时的横磁极化波的负载收集能量的仿真曲线，以三角形标示的曲线代表本发明在电磁波倾斜60°入射时的横电极化波的负载收集能量的仿真曲线。从本发明仿真的电磁波倾斜60°入射时的横电、横磁极化波的负载收集能量的曲线可看出，在5.8GHz时负载吸收能量为0.25W(总能量0.5W)，吸收效率有50％，说明本发明在入射电磁波入射角为60°时，无论横电极化或者横磁极化，收集效果较好。

综上可得，本发明通过U形槽方形贴片结构产生了较长的感应电路路径并激励表面电流，且结构旋转对称，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。

本发明通过金属化过孔将表面电流导入到一个负载电阻5上，克服了现有技术存在的负载电阻5较多，无法高效的利用收集到的能量的问题，即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。

本发明采用了旋转对称结构，实现了结构简单紧凑，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电阻5较高的能量收集效率。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于超表面的电磁能量收集器，其特征在于：包括上层金属层、下层金属层、金属通孔、位于上层金属层和下层金属层之间的介质层；

所述上层金属层印制于介质层上表面，下层金属层印制于介质层下表面；所述上层金属层上包括四个相同的U形槽方形贴片，四个相同的U形槽方形贴片之间旋转对称；所述下层金属层上开设圆形孔，圆形孔的位置与U形槽方形贴片的中心位置重合；所述金属通孔设置于每个所述U形槽方形贴片的几何中心位置，并贯穿介质层，垂直于下层金属层；所述金属通孔底端和下层金属层之间连接电阻。

2.根据权利要求1所述的基于超表面的电磁能量收集器，其特征在于：所述U形槽方形贴片通过至少90°的旋转与其相邻的U形槽方形贴片的位置重合。

3.根据权利要求1所述的基于超表面的电磁能量收集器，其特征在于：所述介质层的相对介电常数ε'为2.2，损耗角正切tanδ为0.0009。

4.根据权利要求1所述的基于超表面的电磁能量收集器，其特征在于：所述介质层的高度为1.00mm，长度为25.6mm，宽度为25.6mm。

5.根据权利要求1所述的基于超表面的电磁能量收集器，其特征在于：所述U形槽方形贴片中的方形贴片呈正方形，其边长a为12mm。

6.根据权利要求1所述的基于超表面的电磁能量收集器，其特征在于：相邻所述U形槽方形贴片之间的间隙s为0.8mm。

7.根据权利要求1所述的基于超表面的电磁能量收集器，其特征在于：所述U形槽方形贴片中的U形槽的两边和底边的长度L为6mm，宽度width为0.8mm。

8.根据权利要求1所述的基于超表面的电磁能量收集器，其特征在于：所述金属通孔的直径为0.2mm。

9.根据权利要求1所述的基于超表面的电磁能量收集器，其特征在于：所述下层金属层上的圆形孔直径为0.69mm。

10.根据权利要求1所述的基于超表面的电磁能量收集器，其特征在于：所述电阻的电阻值为50Ω。

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