CN114069246B - 一种基于周期结构的吸收电磁波的整流表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于周期结构的吸收电磁波的整流表面，解决整流表面结构复杂，输出直流合成方式单一的问题。该整流表面介质基片(1)下表面完全被金属层覆盖，上表面包含m列n行大小形状均相同并且均匀分布的整流表面单元(2)，m、n为大于等于2的正整数，每一列的n个整流表面单元(2)相邻单元间上下相连，第1个整流单元上方、第n个整流单元下方分别连接1个电感(4)，与上方电感相连的直流输出端口从左到右分别为A1至Am，与下方电感相连的直流输出端口从左到右分别为C1至Cm。

Description

一种基于周期结构的吸收电磁波的整流表面
技术领域
本发明属于微波射频器件技术领域，尤其涉及微波射频器件中的整流表面。
背景技术
基于周期结构的超表面可以应用于飞机、舰艇等装备的电磁隐身，这种结构吸收雷达发射的电磁波，并转化为热消耗掉。如果在类似的周期结构中引入肖特基二极管，构成新型的整流表面，那么不仅可以吸收电磁波，还能将电磁波转化为直流能量为我所用。在军事领域，整流表面可以用于军事装备的隐身；在民用领域，整流表面可用于收集空间中广泛分布的电磁波能量，如WiFi信号、基站信号、手机信号等，并将这些能量转化为直流电，为其他设备供电。将这些浪费掉的能量收集起来重新加以利用，可以构建新型的分布式发电系统，提高能源的利用率，实现节能减排的目标。
文献“Triple-band polarization-insensitive and wide-angle metamaterialarray for electromagnetic energy harvesting”提出了三频空间电磁能量收集的超表面阵列，该超表面阵列在1.75GHz、3.8GHz、5.4GHz工作频率下，能量收集效率分别为30％、90％、74％。然而由于该电路未设置能量转化单元，仅能接收能量传并传输给负载吸收，不能实现对能量的转化。专利“超材料整流表面”(申请号201610829806.0，公布号106410395A)提出了一种基于超材料的整流表面，该装置包含位于基板正面的超材料能量接收单元及基板背面的将电磁能量转化为直流的整流单元，其不足之处在于：采用多层电路板结构，加工成本高，结构复杂，直流合成方式单一。
综上所述，目前整流表面面临的主要问题是，如何使其具有更紧凑更简洁的结构，实现电路的低成本，如何能够根据实际应用场景进行阵列单元的扩展，以及与应用场景想匹配的直流合成方式。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于周期结构的吸收电磁波的整流表面，克服现有超表面只能吸收电磁波不能将电磁波转化为直流电的缺点，以及现有整流表面结构复杂、直流输出连接方式单一的缺点。
本发明的技术方案是：一种基于周期结构的吸收电磁波的整流表面，其特征在于：介质基片1下表面完全被金属层覆盖，上表面包含m列n行大小形状均相同并且均匀分布的整流表面单元2，m、n为大于等于2的正整数，每一列的n个整流表面单元2相邻单元间上下相连，第1个整流单元上方、第n个整流单元下方分别连接1个电感4，与上方电感相连的直流输出端口从左到右分别为A1至Am，与下方电感相连的直流输出端口从左到右分别为C1至Cm，整流表面单元2包含了上下对称的第一微带线11、第二微带线12、第三微带线13，以及位于整流表面单元2中心的肖特基二极管3，第一微带线11和第三微带线13都为四边形结构，第二微带线12的4节平行的细微带线一端都连接在第一微带线11的四边形结构的一边上，第二微带线12的4节平行的细微带线的另一端都连接在第三微带线13的四边形结构的一边上，第一微带线11、第二微带线12、第三微带线13、肖特基二极管3依次相连，所有整流表面单元2中的肖特基二极管3的阳极均为同一方向。
进一步的，整流表面直流端口的并联方式为直流输出端口A1至Am端口直接通过电线相连作为直流输出的一个电极，直流输出端口C1至Cm直接通过电线相连作为直流输出的另一个电极；其直流端口的串联方式为直流输出端口A1与C2相连，A2与C3相连，依此类推，直至Am-1与Cm相连，并将Am和C1分别作为直流输出的电极；由于该周期结构整流表面具有对称性，其串联直流输出形式的关于水平方向或是垂直方向的对称连接形式同样适用；混合串并联形式为每2列或更多列进行串联，然后再进行并联。
本发明的技术方案的原理是：空间电磁波信号照射到整流表面，整流表面接收到电磁波能量，通过肖特基二极管3的非线性特性将电磁波能量转化为直流能量，电感4起谐波抑制作用，将基波及肖特基二极管3产生的高次谐波滤除，通过不同的直流合成连接方式，能产生不同的直流输出电压，从而在一定程度上控制直流输出电压。
本发明的优点和有益效果：
本发明的整流表面结构无需用多层电路板，只用单层电路板就可实现，加工更简单，成本更低，能吸收电磁波起到电磁隐身的作用，能高效地将电磁波能量转化为直流能量给其他设备供电，通过直流合成方式可以改变，从而实现不同的直流电压输出。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图
图2是本发明的整流表面单元结构示意图
图3是本发明并联方式直流合成示意图
图4是本发明串联方式直流合成示意图
图5是本发明串并联方式直流合成示意图
图6是本发明的整流表面的能量吸收效率仿真结果图
图7是本发明的整流表面单元的效率及输出电压随输入功率变化的仿真结果图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明：如图1所示，整流表面介质基片1下表面完全被金属层覆盖，上表面包含m列n行大小形状均相同并且均匀分布的整流表面单元2，m、n为大于等于2的正整数，每一列的n个整流表面单元2相邻单元间上下相连，第1个整流单元上方、第n个整流单元下方分别连接1个电感4，与上方电感相连的直流输出端口从左到右分别为A1至Am，与下方电感相连的直流输出端口从左到右分别为C1至Cm，如图2所示，整流表面单元2包含了上下对称的第一微带线11、第二微带线12、第三微带线13，以及位于整流表面单元2中心的肖特基二极管3，第一微带线11和第三微带线13都为四边形结构，第二微带线12的4节平行的细微带线一端都连接在第一微带线11的四边形结构的一边上，第二微带线12的4节平行的细微带线的另一端都连接在第三微带线13的四边形结构的一边上，第一微带线11、第二微带线12、第三微带线13、肖特基二极管3依次相连，如图1所示，所有整流表面单元2中的肖特基二极管3的阳极均为同一方向。
进一步的，如图3所示，整流表面直流端口的并联方式为直流输出端口A1至Am端口直接通过电线相连作为直流输出的一个电极，直流输出端口C1至Cm直接通过电线相连作为直流输出的另一个电极；如图4所示，整流表面直流端口的串联方式为直流输出端口A1与C2相连，A2与C3相连，依此类推，直至Am-1与Cm相连，并将Am和C1分别作为直流输出的电极；由于该周期结构整流表面具有对称性，其串联直流输出形式的关于水平方向或是垂直方向的对称连接形式同样适用。如图5所示，m为偶数时，整流表面直流端口的混合串并联形式为每相邻2列进行串联，然后再进行并联。
为进一步说明上述技术方案的可实施性，下面给出一个具体设计实例，一种基于周期结构的吸收电磁波的整流表面，介质基片使用厚度为0.8mm，相对介电常数为2.6的F4B基片，肖特基二极管为BAT15-03W。整流表面分布有10列10行整流表面单元，直流输出采用并联形式。整流表面直流输出端接1000欧姆负载。当2.45GHz的均匀平面电磁波照射到整流表面时，整流表面对电磁波的吸收效率如图6所示，可以看出，在2.45GHz，整流表面的吸收效率最高能达到99％，在2.4GHz-2.5GHz范围内，吸收效率均在50％以上。单个单元产生的整流效率与输出直流电压的仿真图如图7所示，单个单元在10mW射频输入功率下能产生7.84mW的直流功率，那么该整流表面能产生784mW的直流输出功率，其总的直流输出电压为2.8V。

Claims (2)

1.一种基于周期结构的吸收电磁波的整流表面，其特征在于：介质基片(1)下表面完全被金属层覆盖，上表面包含m列n行大小形状均相同并且均匀分布的整流表面单元(2)，m、n为大于等于2的正整数，每一列的n个整流表面单元(2)相邻单元间上下相连，第1个整流单元上方、第n个整流单元下方分别连接1个电感(4)，与上方电感相连的直流输出端口从左到右分别为A1至Am，与下方电感相连的直流输出端口从左到右分别为C1至Cm，整流表面单元(2)包含了上下对称的第一微带线(11)、第二微带线(12)、第三微带线(13)，以及位于整流表面单元(2)中心的肖特基二极管(3)，第一微带线(11)和第三微带线(13)都为四边形结构，第二微带线(12)的4节平行的细微带线一端都连接在第一微带线(11)的四边形结构的一边上，第二微带线(12)的4节平行的细微带线的另一端都连接在第三微带线(13)的四边形结构的一边上，第一微带线(11)、第二微带线(12)、第三微带线(13)、肖特基二极管(3)依次相连，所有整流表面单元(2)中的肖特基二极管(3)的阳极均为同一方向。
2.根据权利要求1所述的一种基于周期结构的吸收电磁波的整流表面，其直流端口的并联方式为直流输出端口A1至Am端口直接通过电线相连作为直流输出的一个电极，直流输出端口C1至Cm直接通过电线相连作为直流输出的另一个电极；其直流端口的串联方式为直流输出端口A1与C2相连，A2与C3相连，依此类推，直至Am-1与Cm相连，并将Am和C1分别作为直流输出的电极；由于该周期结构整流表面具有对称性，其串联直流输出形式的关于水平方向或是垂直方向的对称连接形式同样适用；混合串并联形式为每2列或更多列进行串联，然后再进行并联。
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