CN113314837B - 一种极化不敏感的wifi频段电磁能量收集表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种极化不敏感的WIFI频段电磁能量收集表面，包括金属结构层、介质基板和金属地板层，金属结构层包括不少于一个电磁能量收集单元，电磁能量收集单元包括数个结构相同、关于中心点对称的谐振环，谐振环为工字形结构，谐振环的首尾相连接形成一个正多边形环状结构，环状结构内部形成一个增加收集效率的寄生贴片，金属结构层上开设有延伸至金属地板层下表面的通孔，金属地板层下表面安设有电阻，电阻的一端连接金属结构层，电阻的另一端连接金属地板层，所述连接槽宽度W为0.2mm。本发明的谐振环采用两两首尾相接形成一个多边形环状结构，相邻边之间产生耦合效应，且调节连接槽的宽度与长度，实现了在2.45GHz这个频点对电磁能量的有效收集。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种极化不敏感的WIFI频段电磁能量收集表面。
背景技术
目前，射频识别(RFID)和无线传感器网络(WSN)作为物联网的两大核心技术已得到国际上学术界和企业界的高度关注，推动物联网技术的发展对于经济发展具有重要意义。随着WSN和RFID等物联网技术的兴起，其在远程医疗、环境监测、智慧城市等众多领域发挥了巨大作用。RFID、WSN节点由于具有数量多、分布范围广、长期工作于不可及的特殊环境等特点，其无线网络传感器的供电问题日益突出。目前大多数传感网络都是电池供电，即使网络节点传感器长期工作在低功率的条件下，节点电池使用寿命也非常短，定期更换数量庞大的节点电池显得不切实际。无线能量供给技术是延长其生命周期、拓宽应用范围的关键技术。
随着无线通信的发展，我们生活环境的周围充斥着各种频率的电磁波，把自由空间的电磁波收集起来用于无线网络节点供电将能较好的解决无线网络节点的供电问题，所以如何把周围环境的电磁能量有效的回收利用并转化为可使用的电能逐渐成为研究的热点。电磁能量收集表面是无线能量供给的关键技术。由于自然环境的电磁能量密度非常低(小于-30dBm)，极化方式复杂，变化范围广等特点，这就要求电磁能量收集表面在特定频段内具有极化不敏感的特性，现有的电磁能量收集表面具有对空间自由电磁量吸收率低，尺寸大，重量大等缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种极化不敏感、吸收效率高、重量轻的WIFI频段电磁能量收集表面。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种极化不敏感的WIFI频段电磁能量收集表面，包括金属结构层、介质基板和金属地板层，所述金属结构层覆盖于介质基板上表面，所述金属地板层覆盖于介质基板下表面，所述金属结构层包括不少于一个电磁能量收集单元，所述电磁能量收集单元包括数个结构相同、关于中心点对称的谐振环，所述谐振环为工字形结构，包括开设于金属结构层上与介质基板连通的第一矩形槽、第二矩形槽及连通第一矩形槽和第二矩形槽中间位置的连接槽，所述第二矩形槽的首尾相连接形成一个正多边形环状结构，所述环状结构内部的正多边金属结构层形成一个增加耦合度、以使谐振环增加收集效率的寄生贴片，所述第一矩形槽远离第二矩形槽的一侧以及寄生贴片上开设有延伸至金属地板层下表面的通孔，所述金属地板层下表面对应通孔处安设有电阻，所述电阻的一端连接金属结构层，所述电阻的另一端连接金属地板层，所述连接槽宽度W为0.2mm。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述谐振环的数量为4个或6个或8个，所述寄生贴片的形状为正四边形或正六边形或正八边形。
所述第一矩形槽的长度L为4mm。
所述第二矩形槽的高度H1为0.3mm。
所述通孔分别设置于第一矩形槽中间位置的一侧以及设置于寄生贴片中心位置。
所述电阻为450欧姆。
所述金属结构层与金属地板层为金、银或铜。
所述介质基板的介电常数＝9.9，高度H2＝2.54mm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的电磁能量收集单元采用中心对称的结构，实现了极化不敏感的特性，适用于在多种极化方式的复杂电磁环境中应用。
2、本发明的谐振环采用两两首尾相接形成一个多边形环状结构，相邻边之间产生耦合效应，且调节连接槽的宽度与长度，实现了在2.45GHz这个频点对电磁能量的有效收集。
3、本发明的谐振环两两首尾相接中间形成一个寄生贴片，谐振环和寄生贴片产生的强耦合效应，达到在特定WIFI频段高效率吸收的目的。
4、本发明的电磁能量收集表面具有极化不敏感、频段宽、吸收效率高、剖面低、重量轻、结构稳固的特点；采用印刷电路工艺，成本低，适合大规模生产，工程应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明的俯视图；
图2是单个电磁能量收集单元俯视图；
图3是电阻与金属地板层连接示意图；
图4是介质基板立体结构图；
图5是本发明电磁能量收集表面对任意极化的垂直入射波的吸收效率随频率的变化示意图；
图6是本发明电磁能量收集表面在任意极化电磁波的垂直入射下，匹配电阻对该入射波能量的收集效率随频率的变化示意图。
图中各标号表示：1、金属结构层；2、介质基板；3、金属地板层；4、电磁能量收集单元；41、谐振环；411、第一矩形槽；412、第二矩形槽；413、连接槽；42、寄生贴片；43、通孔；5、电阻。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1至图3所示，本实施例的极化不敏感的WIFI频段电磁能量收集表面，包括金属结构层1、介质基板2和金属地板层3，金属结构层1覆盖于介质基板2上表面，金属地板层3覆盖于介质基板2下表面，金属结构层1包括不少于一个电磁能量收集单元4，电磁能量收集单元4包括数个结构相同、关于中心点对称的谐振环41，谐振环41为工字形结构，包括开设于金属结构层1上与介质基板2连通的第一矩形槽411、第二矩形槽412及连通第一矩形槽411和第二矩形槽412中间位置的连接槽413，第二矩形槽412的首尾相连接形成一个正多边形环状结构，环状结构内部的正多边金属结构层1形成一个增加耦合度、以使谐振环41增加收集效率的寄生贴片42，第一矩形槽411远离第二矩形槽412的一侧以及寄生贴片42上开设有延伸至金属地板层3下表面的通孔43(通孔43内壁涂设有金属层)，金属地板层3下表面对应通孔43处安设有电阻5(电阻5的数量为5个)，电阻5的一端连接金属结构层1，电阻5的另一端连接金属地板层3(电阻5的一端与通孔43内壁连接)，连接槽413宽度W为0.2mm。接收远处非常微弱的电磁波信号，一般通过LC串联或并联谐振电路吸收。本发明中的谐振环41与金属结构层1之间形成一个LC谐振电路，第一矩形槽411、第二矩形槽412及连接槽413相当于电容，金属结构层1相当于电感，电磁波吸收后通过通孔43内壁的金属结构传至电阻5，完成对空间中自由电磁波进行吸收。本发明的电磁能量收集单元4由多个结构相同的谐振环41组成，多个谐振环41按照一定的规则排列成中心对称的结构，对任意线极化和任意圆极化的垂直入射波产生相同的吸收效果，从而达到极化不敏感的目的，按此规则排列的工字形结构谐振环41在相邻边之间产生耦合效应，连接槽413宽度W为0.2mm时，这个耦合效应对应的谐振频率为2.4GHz，实现在WIFI频段上对电磁波能量的有效收集。本发明设置正多边形寄生贴片42大大增加谐振环41与寄生贴片42之间的耦合效应，从而大大增加了对空间自由电磁波的吸收效率。
本实施例中，谐振环41的数量为4个或6个或8个，寄生贴片42的形状为正四边形或正六边形或正八边形。本实施例中的谐振环41数量为4个，第二矩形槽412的首尾相连接形成一个正四边形环状结构，环状结构内部的正四边金属结构层1形成寄生贴片42。
本实施例中，第一矩形槽411的长度L为4mm。
本实施例中，第二矩形槽412的高度H1为0.3mm。
本实施例中，通孔43分别设置于第一矩形槽411中间位置的一侧以及设置于寄生贴片42中心位置。
本实施例中，电阻5为450欧姆。通过调节电阻5的阻值使传递到电阻5的能量达到最大，从而实现有电磁能量的高效收集。
本实施例中，金属结构层1与金属地板层3为金、银或铜。
如图4所示，本实施例中，介质基板2的介电常数＝9.9，高度H2＝2.54mm。
上述的介质基板2的介电常数＝9.9，高度H2＝2.54mm。上层与下层为金属涂层，材料为铜。
本发明使用微波仿真软件CST对组成该电磁能量收集表面的超材料单元的结构尺寸进行了分析和优化，对垂直入射的电磁波的电磁能量收集效率，单元上的能量分布以及S参数进行了研究，如图5所示，对任意极化的垂直入射波的吸收效率随频率的变化，从图5中可知，在2.45GHz的吸收效率为99％，如图6所示，本发明在任意极化电磁波的垂直入射下，匹配电阻对入射波能量的收集效率随频率的变化，从图6可知，匹配电阻对该入射波能量的收集效率在2.45GHz频点上为92％。
本实施例中的每一个电阻5的阻值为450欧姆，为了达到阻抗匹配，使被接收的能量尽可能多地传递到电阻5上，从而实现对电磁能量的有效收集，以便给外部供能。
本发明中主要在目前无线通信系统使用的WIFI频段上对任意极化的垂直入射波能保持极化不敏感的工作特性和较高的吸收效率。且接收的能量可以有效的传递到负载中，因此可以应用于无线传感网络(WSN)、射频识别(RFID)等多个领域中。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (8)
1.一种极化不敏感的WIFI频段电磁能量收集表面，其特征在于：包括金属结构层(1)、介质基板(2)和金属地板层(3)，所述金属结构层(1)覆盖于介质基板(2)上表面，所述金属地板层(3)覆盖于介质基板(2)下表面，所述金属结构层(1)包括不少于一个电磁能量收集单元(4)，所述电磁能量收集单元(4)包括数个结构相同、关于中心点对称的谐振环(41)，所述谐振环(41)为工字形结构，包括开设于金属结构层(1)上与介质基板(2)连通的第一矩形槽(411)、第二矩形槽(412)及连通第一矩形槽(411)和第二矩形槽(412)中间位置的连接槽(413)，所述第二矩形槽(412)的首尾相连接形成一个正多边形环状结构，所述环状结构内部的正多边金属结构层(1)形成一个增加耦合度、以使谐振环(41)增加收集效率的寄生贴片(42)，所述第一矩形槽(411)远离第二矩形槽(412)的一侧以及寄生贴片(42)上开设有延伸至金属地板层(3)下表面的通孔(43)，所述金属地板层(3)下表面对应通孔(43)处安设有电阻(5)，所述电阻(5)的一端连接金属结构层(1)，所述电阻(5)的另一端连接金属地板层(3)，所述连接槽(413)宽度W为0.2mm。
2.根据权利要求1所述的极化不敏感的WIFI频段电磁能量收集表面，其特征在于：所述谐振环(41)的数量为4个或6个或8个，所述寄生贴片(42)的形状为正四边形或正六边形或正八边形。
3.根据权利要求1所述的极化不敏感的WIFI频段电磁能量收集表面，其特征在于：所述第一矩形槽(411)的长度L为4mm。
4.根据权利要求1所述的极化不敏感的WIFI频段电磁能量收集表面，其特征在于：所述第二矩形槽(412)的高度H1为0.3mm。
5.根据权利要求1所述的极化不敏感的WIFI频段电磁能量收集表面，其特征在于：所述通孔(43)分别设置于第一矩形槽(411)中间位置的一侧以及设置于寄生贴片(42)中心位置。
6.根据权利要求1所述的极化不敏感的WIFI频段电磁能量收集表面，其特征在于：所述电阻(5)为450欧姆。
7.根据权利要求1所述的极化不敏感的WIFI频段电磁能量收集表面，其特征在于：所述金属结构层(1)与金属地板层(3)为金、银或铜。
8.根据权利要求1-7中任一顶所述的极化不敏感的WIFI频段电磁能量收集表面，其特征在于：所述介质基板(2)的介电常数＝9.9，高度H2＝2.54mm。
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