CN113013632B - 一种谐波抑制超表面能量收集器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种谐波抑制超表面能量收集器，其特征在于，包括：由上向下依次设置的超表面单元层、接地层以及射频输出层；所述超表面单元层上呈周期性排列有若干超表面单元；各所述超表面单元结构相同，均包括一介质基板以及设置在所述介质基板上的金属层，所述金属层上刻蚀有用于实现入射波吸收的伞勾型槽结构和用于实现谐波抑制的L型槽结构；各所述伞勾型槽结构内部设置有一贯穿所述超表面单元层的垂直导电通孔，各所述超表面单元通过各所述导电通孔经所述接地层后与所述射频输出层上设置的馈电网络相连，将收集到的射频能量传递到所述馈电网络进行射频合成，使得所有能量汇聚到一处导出。本发明可以广泛应用于整流天线设计领域。

Description

一种谐波抑制超表面能量收集器
技术领域
本发明涉及一种谐波抑制超表面能量收集器，属于微波传能接收整流天线领域。
背景技术
在微波无线传能系统(MPT)中，整流天线作为将微波能量转化到直流的关键器件，同时也是决定MPT系统RF-DC能量转换效率的重要因素。整流天线由接收天线和整流电路组成，整流电路中的二极管等非线性元件产生的高阶谐波会被接收天线二次辐射，这样会降低整流天线的效率，进而严重影响系统的传输效率，同时会造成系统间的电磁干扰。所以整流天线谐波抑制技术应着重解决。另一方面，传统整流天线阵列为了避免单元间的破坏性耦合，需要相距半波长，不但占地面积大，效率也较低。
在传统整流天线中，谐波抑制有两种主要的解决方案：第一是通过整流电路中的低通滤波器实现，整流电路前端采用低通滤波器用于滤除输出直流电压的交流成分，但是低通滤波器的设计通常需要采用并联大电容的结构，这类电容不仅具有较大的体型，而且带来的寄生参数在电路设计过程中也需要进一步解决，同时还要考虑与整流天线的匹配问题，整个接收系统集成度低，成本高，结构复杂；第二是设计具有谐波抑制功能的天线，通过在单个整流天线的馈电结构处使用开放式并联开路短截线来抑制谐波，可以将谐波处的发射系数抑制到-2dB以上。从原理上去除低通滤波器带来的插入损耗和天线的性能影响；然而，整流天线的馈电结构处使用开放式并联开路短截线来抑制谐波，对于单个或者小型化的布阵是有效的，当大规模布阵采用射频合成时，由于馈线上的枝节额外占用了空间，会影响馈电网络的设计，给天线阵的设计增加了额外的困难。此外，采用传统贴片天线阵作为接收天线，天线阵列为了避免单元间的破坏性耦合，需要相距半波长，不但占地面积大，效率也较低，用超表面替代传统整流天线是使接收系统小型化、高效率的有效方案。目前针对于能量收集的超表面多集中于高效率捕获、多极化、宽入射角等方面，在已公开文献中暂未见有方案提出如何在超表面上解决接收系统的谐波抑制问题。
在高效率的超表面上集成谐波抑制结构是可以有效减小系统的复杂度、降低成本并提高接收系统整体效率的方案。首先，超表面由间距紧密的电小尺寸单元组成，不仅占地面积远远小于传统的整流天线阵，而且接收效率可以进一步提升，可以达到95％以上的能量收集效率。另外，将谐波抑制的结构直接集成在超表面上，不仅省去了后续整流电路中低通滤波器的设计，而且相较于传统整流天线附加枝节的方案更进一步增大了集成度，为后续的大规模布阵打下基础。同时，谐波抑制结构的增加仅需要超表面上刻蚀图案改变，不会增加任何额外成本，将系统成本降到了最小。将滤波结构直接集成到超表面上是实现接收系统高效率、高集成度、小型化、低成本的有效技术。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种谐波抑制超表面能量收集器，在不增加额外成本的情况下实现了谐波抑制，整个设计集成度高、成本低、小型化。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种谐波抑制超表面能量收集器，其包括：由上向下依次设置的超表面单元层、接地层以及射频输出层；
所述超表面单元层上呈周期性排列有若干超表面单元；
各所述超表面单元结构相同，均包括一介质基板以及设置在所述介质基板上的金属层，所述金属层上刻蚀有用于实现入射波吸收的伞勾型槽结构和用于实现谐波抑制的L型槽结构；
各所述伞勾型槽结构内部设置有一贯穿所述超表面单元层的垂直导电通孔，各所述超表面单元通过各所述导电通孔经所述接地层后与所述射频输出层上设置的馈电网络相连，将收集到的射频能量传递到所述馈电网络进行射频合成，使得所有能量汇聚到一处导出。
进一步，所述介质基板采用ROGERS5880介质基板，其厚度H1＝1.524mm，介电常εr＝2.2，损耗角正切tanδ＝0.0009。
进一步，所述金属层采用铜，所述铜的厚度为0.035mm。
进一步，所述超表面单元尺寸配置为15.3mmx15.3mm。
进一步，所述伞勾型槽结构包括长柄段、短柄段以及弧形段；所述长柄段和短柄段平行设置，所述弧形段为半圆形，分别连接所述长柄段和短柄段的一端，所述长柄段的另一端延伸到所述金属层的边缘；所述L型槽结构的长边与所述长柄段垂直设置并相连，所述L型槽结构的短边与所述长柄段平行设置，且短边末端延伸到所述金属层的边缘。
进一步，所述伞勾型槽结构宽度Wa＝0.9mm，长柄段长度L1＝2.7mm，短柄段长度L2＝7.65mm,弧形段的外半径R1＝4.05mm。
进一步，所述L型槽结构的尺寸为槽宽Wb＝0.5mm，短边长度Lg＝3.6mm，长边长度Lt＝5.4mm。
进一步，各导电通孔的半径为R＝0.55mm。
进一步，所述超表面单元层上设置有4x4共16个超表面单元。
进一步，所述接地层为一整块金属板，所述金属板上刻蚀了周期性的圆形通孔，各所述圆形通孔的半径尺寸大于所述超表面单元层上的导电通孔半径。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明由于设置的超表面单元中将L型槽的谐波抑制结构与伞勾型缝隙结构集成设计到超表面天线单元上，在实现高效率吸收的情况下避免了高次谐波的二次辐射，可以将二次谐波抑制到-2dB以内；
2、本发明将整个超表面收集器将谐波抑制功能集成到超表面单元设计中，谐波抑制结构集成化设计的方案不仅保留了超表面高效率能量收集和小型化的优点，还避免了整流过程中低通滤波器和匹配网络的设计，在不增加额外成本的情况下实现了谐波抑制，整个设计集成度高、成本低、小型化。
3、本发明由于设置有射频输出层，采用射频合成，通过馈电网络将收集的交流能量引导到单个整流电路中，避免了直流合成过程中二极管的使用造成的系统复杂度和不稳定性的增加。
4、本发明将收割口负载阻抗配置为50ohm，解决了传统超表面收集器的高阻抗问题。
因此，本发明可以广泛应用于微波传能接收整流天线领域。
附图说明
图1是本发明实施例提供的谐波抑制超表面能量收集器的超表面单元结构图；
图2是本发明实施例提供的谐波抑制超表面能量收集器的上层结构；
图3是本发明实施例提供的谐波抑制超表面能量收集器的中间层结构；
图4是本发明实施例提供的谐波抑制超表面能量收集器的下层结构；
图5是本发明实施例提供的谐波抑制超表面能量收集器S参数；
图6是本发明实施例提供的谐波抑制超表面能量收集器反射系数；
图7是本发明实施例提供的谐波抑制超表面能量收集器吸收率。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
首先对本申请涉及到的技术术语做简单的介绍：
MPT:全称为Microwave Power Transmission，微波功率传输，借助于微波进行能量传递的一种技术。
RF:全称为Radio Frequency，射频表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从300kHz～300GHz之间。射频就是射频电流，是一种高频交流变化电磁波的简称。
DC:全称为Direct Current，直流电流，是指电流方向不随时间作周期性变化的电流，但电流大小可能不固定，而产生波形。
SMA：SMA全称为SubMiniature version A，SMA接口有两种形式，标准的SMA是一端“外螺纹+孔”，另一端“内螺纹+针”；反极性RP-SMA是一端“外螺纹+针”，另一端为“内螺纹+孔”。
本发明提出了一种谐波抑制超表面能量收集器，通过新型的刻蚀伞勾型缝隙的超表面结构以实现对入射波的无反射接收，且进一步将矩形(L型)槽谐波抑制结构直接与超表面本身的伞勾型缝隙集成在一起，在没有增加任何额外成本的情况下，实现了具有滤波功能的超表面能量收集器。在高效率能量收集的同时避免了由于高阶谐波所造成整体效率下降，同时具有小型化、高集成度、低成本等诸多优点。
如图1～图4所示，本发明提出的一种谐波抑制超表面能量收集器，包括由上向下依次设置的超表面单元层、接地层以及射频输出层。其中，超表面单元层上呈周期性排列有若干超表面单元，各超表面单元结构相同，均包括一介质基板以及设置在介质基板上的金属层，该金属层上刻蚀有用于实现入射波吸收的伞勾型槽结构和用于实现谐波抑制的L型槽结构；各伞勾型槽结构内部设置有一贯穿超表面单元层的垂直导电通孔，各超表面单元通过各导电通孔经接地层后与射频输出层上设置的馈电网络相连，将收集到的射频能量传递到馈电网络进行射频合成，将所有能量汇聚到一处导出。
进一步，超表面单元中，介质基板采用低损耗的ROGERS5880介质基板，其厚度H1＝1.524mm，介电常εr＝2.2，损耗角正切tanδ＝0.0009。采用低损耗的介质基板可以最大限度地降低介电损耗，从而提高超表面收集器的效率。
进一步，超表面单元中，金属层采用铜，铜的厚度为0.035mm。
进一步，为了在选定的5.8GHz实现吸收效率的最大化，超表面单元尺寸设计为15.3mmX15.3mm(该尺寸可以缩放以工作在不同的微波频率下)。
进一步，如图1所示，伞勾型槽结构包括长柄段、短柄段以及弧形段。其中，长柄段和短柄段平行设置，弧形段为半圆形，分别连接长柄段和短柄段的一端，长柄段的另一端延伸到金属层的边缘；L型槽结构的长边与长柄段垂直设置，L型槽结构的短边与长柄段平行设置，且短边末端延伸到金属层的边缘。
进一步，伞勾型槽结构宽度Wa＝0.9mm，长柄段长度L1＝2.7mm，短柄段长度L2＝7.65mm,弧形段的外半径R1＝4.05mm，可以实现超材料表面阻抗与自由空间阻抗匹配。在伞勾型槽下方设计的L型槽结构贴片以实现对二次谐波的抑制，可以通过更改插槽长度，插槽宽度和两个插槽之间的距离的尺寸调节传输特性，例如谐振频率，抑制带宽和抑制程度。
进一步，L型槽结构的尺寸为槽宽Wb＝0.5mm，短边长度Lg＝3.6mm，长边长度Lt＝5.4mm，可以将二次谐波11.6GHz的电磁波抑制到-2dB以内，实现了较高程度的二次谐波抑制。能量被超表面单元接收后通过导电通孔传递到负载电阻，被负载电阻吸收。
进一步，各导电通孔的半径为R＝0.55mm。
进一步，超表面单元层优选4x4共16个超表面单元构成。
进一步，接地层为一整块金属地，该金属地上刻蚀了周期性的圆形通孔，各圆形通孔的半径尺寸略大于超表面单元层上的导电通孔半径，以便于能量通过导电通孔传递到射频输出层而不是接地层上。
进一步，射频输出层上设置的馈电网络，可以通过现有的阻抗变换理论和功分合成理论设计得到，本发明在此不再赘述。
实施例1
如图1、图2所示，本实施例选定4x4共16个刻蚀槽的金属贴片单元构成超表面能量收集器的超表面单元层的接收面，刻蚀槽的金属贴片通过半径R＝0.55mm的垂直导电通孔连接到射频输出层，图3所示射频输出层上的馈电网络将垂直导电通孔传递的感应电流进行整合传递到50ohm的负载电阻，测试时替换为50ohm的SMA。其中，射频输出层上馈电网络的设计方法等同于传统1-16的并联型微带功分设计，采用四分之一波长传输线阶梯阻抗变换器进行阻抗变换，最终将16路能量汇聚到一处输出。
如图3所示，上层超表面单元层和下层射频输出层之间的接地层为一整块金属板，金属板上面刻蚀了周期性排列的圆形通孔，且各圆形通孔的半径尺寸略大于超表面单元层上的导电通孔半径，以便于能量通过导电通孔传递到下层射频输出层而不是金属地上。在微波传能系统中，将此超表面能量收集器用于能量收集，可以将负载处换成输入阻抗为50ohm的任意整流电路，因为超表面能量收集器集成了谐波抑制功能，整流电路可以不考虑二次谐波的抑制问题，接收天线和整流电路之间通过SMA连接。
所提供的所有数值结果均使用全波模拟器ANSYS HFSS进行了仿真。图1所示的超表面单元是在以下条件下进行模拟的：该单元在X和Y方向上被周期边界条件截断，并由floquet端口以平面波通常照亮结构(在-Z方向入射)的方式激发，使用周期性边界条件对超表面单元进行的模拟有效地模拟了无限阵列的超表面。模拟的散射参数如图3所示，S11和S21分别为超表面的反射系数和透射系数，图4进一步表明了超表面在工作频率5.8GHz下的吸收能力和二次谐波11.6GHz处的抑制能力。提取超表面接收器的散射参数以计算超表面单元的功率吸收率，吸收率＝1-|S11|2-|S21|2，图5显示了吸收率和频率的关系。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种谐波抑制超表面能量收集器，其特征在于，包括：由上向下依次设置的超表面单元层、接地层以及射频输出层；所述超表面单元层上呈周期性排列有若干超表面单元；各所述超表面单元结构相同，均包括一介质基板以及设置在所述介质基板上的金属层，所述金属层上刻蚀有用于实现入射波吸收的伞勾型槽结构和用于实现谐波抑制的L型槽结构；各所述伞勾型槽结构内部设置有一贯穿所述超表面单元层的垂直导电通孔，各所述超表面单元通过各所述导电通孔经所述接地层后与所述射频输出层上设置的馈电网络相连，将收集到的射频能量传递到所述馈电网络进行射频合成，使得所有能量汇聚到一处导出；
所述伞勾型槽结构包括长柄段、短柄段以及弧形段；所述长柄段和短柄段平行设置，所述弧形段为半圆形，分别连接所述长柄段和短柄段的一端，所述长柄段的另一端延伸到所述金属层的边缘；所述L型槽结构的长边与所述长柄段垂直设置并相连，所述L型槽结构的短边与所述长柄段平行设置，且短边末端延伸到所述金属层的边缘。
2.如权利要求1所述的一种谐波抑制超表面能量收集器，其特征在于，所述介质基板采用ROGERS5880介质基板，其厚度H1＝1.524mm，介电常εr＝2.2，损耗角正切tanδ＝0.0009。
3.如权利要求1所述的一种谐波抑制超表面能量收集器，其特征在于，所述金属层采用铜，所述铜的厚度为0.035mm。
4.如权利要求1所述的一种谐波抑制超表面能量收集器，其特征在于，所述超表面单元尺寸配置为15.3mmx15.3mm。
5.如权利要求1所述的一种谐波抑制超表面能量收集器，其特征在于，所述伞勾型槽结构宽度Wa＝0.9mm，长柄段长度L1＝2.7mm，短柄段长度L2＝7.65mm,弧形段的外半径R1＝4.05mm。
6.如权利要求1所述的一种谐波抑制超表面能量收集器，其特征在于，所述L型槽结构的尺寸为槽宽Wb＝0.5mm，短边长度Lg＝3.6mm，长边长度Lt＝5.4mm。
7.如权利要求1所述的一种谐波抑制超表面能量收集器，其特征在于，各导电通孔的半径为R＝0.55mm。
8.如权利要求1所述的一种谐波抑制超表面能量收集器，其特征在于，所述超表面单元层上设置有4x4共16个超表面单元。
9.如权利要求1所述的一种谐波抑制超表面能量收集器，其特征在于，所述接地层为一整块金属板，所述金属板上刻蚀了周期性的圆形通孔，各所述圆形通孔的半径尺寸大于所述超表面单元层上的导电通孔半径。
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