CN113809543A - 一种基于超材料技术的微波能量收集器 - Google Patents
一种基于超材料技术的微波能量收集器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113809543A CN113809543A CN202111075578.XA CN202111075578A CN113809543A CN 113809543 A CN113809543 A CN 113809543A CN 202111075578 A CN202111075578 A CN 202111075578A CN 113809543 A CN113809543 A CN 113809543A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- metal
- microwave energy
- hole
- energy collector
- ring
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 56
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 56
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 16
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000747 cardiac effect Effects 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
- H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
- H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
- H01Q1/48—Earthing means; Earth screens; Counterpoises
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
- H01Q9/04—Resonant antennas
- H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K9/00—Screening of apparatus or components against electric or magnetic fields
- H05K9/0073—Shielding materials
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Shielding Devices Or Components To Electric Or Magnetic Fields (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于超材料技术的微波能量收集器，属于电磁波吸收及屏蔽领域。该收集器由若干个周期单元组成，每个周期单元包括底层的金属接地板、中间层的介质层、上层的金属贴片以及通孔；金属贴片包括一个圆环状谐振环与四个金属矩形条；四个金属矩形条位于谐振环的上下左右四个方位上，并向环中心延伸，但未相交；通孔圆心位于谐振环上，贯穿介质层和金属接地板。本发明实现了在较宽频带上获得高负载消耗率，具有良好的工程应用价值，可通过定向发射天线发射电磁波，实现为用电器供能。
Description
技术领域
本发明属于电磁波吸收及屏蔽领域，涉及一种基于超材料技术的微波能量收集器。
背景技术
近年来，超材料由于其具有新颖的物理效应而受到了各学术领域广泛的关注并被应用于诸多领域，如负折射材料，高效率接收天线，雷达反射罩甚至是地震预警等。根据等效媒质理论超材料的电磁特性，用等效介电常数和等效磁导率表示。通过合理地设计超材料的周期尺寸及其几何参数，使其与入射的电磁波分别产生电谐振与磁谐振从而相应地控制其等效介电常数和等效磁导率。通过对超材料的等效介电常数和等效磁导率的调制，可以使其等效阻抗与空气阻抗匹配，从而达到零反射的效果，同时底层金属的厚度大于电磁波的趋肤深度使得透射为零，这样实现了对入射电磁波的完美吸收。
超材料吸波体结构是由Landy等人在2008年首次提出的，它采用两层金属层和一层介质的三层结构。Landy等人通过计算机模拟在11.48GHz处取得了99％的吸收率，同时对所提出的吸波体结构进行了实验验证，由于制作误差的存在，实际测得的吸收率为88％。此外，Landy等人通过仿真分析发现，产生于两金属层间的介电损耗远远大于欧姆损耗，而介电损耗主要集中在吸波体中间，位于电谐振环下方的区域，未将能量导出并消耗于负载，且只能在单频点，很窄的频段上实现完美吸收，使其实际应用价值受到了很大的限制。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于超材料技术的微波能量收集器，用于吸收GHz频段内的电磁微波，在宽频带上实现高效率能量吸收与负载消耗。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于超材料技术的微波能量收集器，由若干个周期单元组成，每个周期单元包括：底层的金属接地板3，位于底层金属接地板3正上方的介质层2和位于介质层正上方的金属贴片1，以及通孔6；
所述金属贴片1包括一个圆环状谐振环4与四个金属矩形条5；四个金属矩形条5位于谐振环4的上下左右四个方位上，并向环中心延伸，但未相交；所述通孔(6)圆心位于谐振环4上，贯穿介质层2和金属接地板3，用于导出收集到的微波能量。
优选的，每个周期单元还包括：在金属接地板3上开一个同圆心且半径大于通孔6的孔，以及接在通孔6底部的环状金属片7；所述环状金属片7位于金属接地板3开孔内。
优选的，在金属接地板3开孔内壁与环状金属片7之间接集总元件(负载)8，负载为纯电阻，阻值为50Ω；。
优选的，所述谐振环4由外半径为6mm，内半径为4.5mm的圆环构成。
优选的，所述四个金属矩形条5厚度、长度均为0.035mm、3mm，宽度为0.1mm～2.3mm。
优选的，所述通孔6半径为0.25mm。
优选的，所述周期单元结构形状为正方形。
优选的，所述周期单元的边长为14.5mm。
优选的，底层金属接地板3的厚度大于等于0.01mm。
优选的，介质层2为损耗材料，厚度范围为3.9mm～5.1mm；介质层2厚度在该数值范围内改变时，负载消耗率大于90％的区间将会在约5.1～6.3GHz之间移动，且最大吸收或消耗效率会发生变化。
优选的，金属贴片1厚度为0.035mm。
优选的，介质层2材料为有耗的F4B，相对介电常数为2.65，介质损耗角正切tanδ＝0.001。
本发明的有益效果在于：本发明实现了在较宽频带上获得高负载消耗率，具有良好的工程应用价值，可通过定向发射天线发射电磁波，实现为用电器供能。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明实施例微波能量收集器周期单元的结构示意图；
图2为本发明实施例金属贴片层结构示意图；
图3为本发明实施例微波能量收集器周期单元底层集总元件(负载)设置处示意图；
图4为本发明实施例微波能量收集器在TM波垂直入射时的反射系数曲线图；
图5为本发明实施例所用仿真平台的仿真功率曲线图；
图6为本发明实施例微波能量收集器在TM波垂直入射时的接收功率曲线图；
图7为本发明实施例微波能量收集器在TM波垂直入射时的负载消耗效率曲线图；
附图标记：1为金属贴片，2为介质层，3为金属接地板，4为谐振环，5为金属矩形条，6为通孔，7为环状金属片，8为集总元件(负载)。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1～图7，本发明优选了一种基于超材料技术的微波能量收集器，该微波能量收集器为周期性结构，每个收集器周期结构单元为正方形，单元边长为14.5mm。如图1所示，每个收集器周期单元包括三层结构：底层金属接地板3，位于底层金属接地板3正上方的介质层2和位于介质层正上方的金属贴片1。
如图2所示，金属贴片1由一个圆环状谐振环4与四个金属矩形条5组成；
可选的，在谐振环4上开了一个通孔6(导出能量的通道)，小孔半径为0.25mm，用于导出收集到的微波能量，使其消耗在负载上。
可选的，金属接地板3开孔内壁与接在通孔6底部的环状金属片7之间接上集总元件(负载)8，负载为纯电阻，阻值为50Ω。
可选的，谐振环4的外半径为6mm，内半径为4.5mm，厚度为0.035mm；中间介质层2为损耗材料，厚度为4.6mm；底层金属接地板3厚度为0.035mm，大于GHz频段微波的趋肤深度。
可选的，金属矩形条5的长度、宽度、厚度均为3mm、0.55mm、0.035mm。
可选的，通孔6是导出能量所用的通道口，其圆心位于谐振环上。
如图3所示，集总元件(负载)8的总长为4.67mm(从微波能量收集器超出最上层0.035mm处到最底部)；类似于量筒结构，金属接地板3在对应位置开了一半径稍大的孔，负载连接在该孔内壁与环状金属片7外侧之间所述微波能量收集器底部集总元件(图中数字8所指部分)接法，接在金属接地板3开孔内壁与通孔6之间，阻值为50Ω。
可选的，中间介质层2选用F4B，其介电常数ε＝2.65，相对磁导率μ＝1，介质损耗角正切tanδ＝0.001。
可选的，空心圆柱与金属接地板3材质均为铜。
可选的，若改变负载阻值大小与其他结构参数会对吸收效率，能量转换效率和频带宽窄造成影响。
在本实施例中的结构参数设置下，能达到以下效果：
如图4所示，该微波能量收集器在电磁波以TM波垂直入射时的反射系数S22主要在约5.1～6.3GHz处小于-10，对外表现为能量吸收率高于90％，表现出一定的宽频带高效率吸收微波能量的性质；
如图5所示，CST Studio Suite商业电磁仿真软件中入射电磁波的功率默认为0.5W。
如图6所示，在约5.12GHz到6.32GHz的频率范围内，该微波能量接收器吸收效率在90％以上，并在约5.8GHz处达到做大吸收功率0.4995W，及吸收效率约为99.9％。
如图7所示，在高吸收率的前提下，本实施例微波能量收集器也同时实现了高负载消耗率，在5.76GHz处消耗在负载上的功率为0.4956W，即能量转化效率达到了99.12％，并在约5.12～6.3GHz的频带上能量转换率超过90％。
本发明可用于电磁波的吸收、屏蔽与超材料技术领域，无线输电在当代科技发展中发挥着越来越重要的作用，它解决了如更换无人区、山区传感器节点电池；更换心脏起搏器电池等技术难题。通过对本发明微波能量收集器的合理参数设置，可以让该微波能量收集器实现在超过1GHz的宽频带上进行高效率(>＝90％)的吸收转化工作。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种基于超材料技术的微波能量收集器，其特征在于，该收集器由若干个周期单元组成，每个周期单元包括：底层的金属接地板(3)，位于底层金属接地板(3)正上方的介质层(2)和位于介质层正上方的金属贴片(1)，以及通孔(6)；
所述金属贴片(1)包括一个圆环状谐振环(4)与四个金属矩形条(5)；四个金属矩形条(5)位于谐振环(4)的上下左右四个方位上，并向环中心延伸，但未相交；所述通孔(6)圆心位于谐振环(4)上，贯穿介质层(2)和金属接地板(3)，用于导出收集到的微波能量。
2.根据权利要求1所述的微波能量收集器，其特征在于，每个周期单元还包括：在金属接地板(3)上开一个同圆心且半径大于通孔(6)的孔，以及接在通孔(6)底部的环状金属片(7)；所述环状金属片(7)位于金属接地板(3)开孔内。
3.根据权利要求2所述的微波能量收集器，其特征在于，在金属接地板(3)开孔内壁与环状金属片(7)之间接集总元件(8)。
4.根据权利要求1所述的微波能量收集器，其特征在于，所述谐振环(4)由外半径为6mm，内半径为4.5mm的圆环构成。
5.根据权利要求1所述的微波能量收集器，其特征在于，所述四个金属矩形条(5)厚度、长度均为0.035mm、3mm，宽度为0.1mm～2.3mm。
6.根据权利要求1或2所述的微波能量收集器，其特征在于，所述通孔(6)半径为0.25mm。
7.根据权利要求1所述的微波能量收集器，其特征在于，所述周期单元结构形状为正方形。
8.根据权利要求7所述的微波能量收集器，其特征在于，所述周期单元的边长为14.5mm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111075578.XA CN113809543A (zh) | 2021-09-14 | 2021-09-14 | 一种基于超材料技术的微波能量收集器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111075578.XA CN113809543A (zh) | 2021-09-14 | 2021-09-14 | 一种基于超材料技术的微波能量收集器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113809543A true CN113809543A (zh) | 2021-12-17 |
Family
ID=78895258
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111075578.XA Pending CN113809543A (zh) | 2021-09-14 | 2021-09-14 | 一种基于超材料技术的微波能量收集器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113809543A (zh) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106099388A (zh) * | 2016-06-24 | 2016-11-09 | 西安电子科技大学 | 基于电磁超表面互补结构的环境射频微能量收集装置 |
| CN111244635A (zh) * | 2020-01-15 | 2020-06-05 | 合肥工业大学 | 一种超材料吸波体 |
-
2021
- 2021-09-14 CN CN202111075578.XA patent/CN113809543A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106099388A (zh) * | 2016-06-24 | 2016-11-09 | 西安电子科技大学 | 基于电磁超表面互补结构的环境射频微能量收集装置 |
| CN111244635A (zh) * | 2020-01-15 | 2020-06-05 | 合肥工业大学 | 一种超材料吸波体 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| BAGHER GHADERI等: ""A Novel Symmetric ELC Resonator for Polarization-Independent and Highly Efficient Electromagnetic Energy Harvesting"", 《IEEE MTT-S INTERNATIONAL MICROWAVE WORKSHOP SERIES ON ADVANCED MATERIALS AND PROCESSES (IMWS-AMP 2017)》, 8 January 2018 (2018-01-08), pages 1 * |
| THAMER S. ALMONEEF等: ""Harvesting the Energy of Multi-Polarized Electromagnetic Waves"", 《SCIENTIFIC REPORTS》, 7 November 2017 (2017-11-07), pages 1 - 6 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101505004B (zh) | 一种基于左手材料的高增益缝隙阵列天线 | |
| CN104218325A (zh) | 一种等效介电常数和磁导率近零的人工电磁材料 | |
| CN102769160B (zh) | 双通带透波材料及其天线罩和天线系统 | |
| CN112838374A (zh) | 一种柔性有源频率选择表面及其控制方法 | |
| CN102760962B (zh) | 宽频透波超材料及其天线罩和天线系统 | |
| CN102842758A (zh) | 透波材料及其天线罩和天线系统 | |
| Naktong et al. | Resonator rectenna design based on metamaterials for low-RF energy harvesting | |
| CN113964507A (zh) | 一种用于射频能量收集的电磁超材料贴片天线 | |
| CN113809543A (zh) | 一种基于超材料技术的微波能量收集器 | |
| CN103682614A (zh) | 宽频透波材料及其天线罩和天线系统 | |
| CN101459283B (zh) | 基于开口谐振环结构的电小尺寸天线 | |
| CN103606744A (zh) | 双同心开口圆环形贴片天线 | |
| Amer et al. | Wide-coverage suspended metasurface energy harvester for ISM band applications | |
| CN102769202B (zh) | 双频带通透波材料及其天线罩和天线系统 | |
| Dakhli et al. | Multiband small zeroth-order metamaterial antenna | |
| Singh et al. | Compact self-quadruplexing antenna based on SIW cavity-backed with enhanced isolation | |
| Gonçalves et al. | Electromagnetic energy harvesting using a glass window | |
| CN203398282U (zh) | 三同心圆环形共面微带天线 | |
| CN108847529B (zh) | 一种铁氧体加载的宽频带花瓣形整流天线 | |
| Bosco et al. | ISM band based microstrip patch antenna of 2.4 GHz for Wi-Fi/WLAN application | |
| CN202275920U (zh) | 一种谐振腔 | |
| CN202275939U (zh) | 基于超材料天线的无线接入设备 | |
| CN219476980U (zh) | 一种简易射频能量收集天线 | |
| Baccouch et al. | Patch antenna based on a photovoltaic cell for energy recovery and RF transmission | |
| CN113328257B (zh) | 一种超表面电磁能量收集装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |