CN114336073A

CN114336073A - 一种超表面单元及具有其的超表面能量收集器

Info

Publication number: CN114336073A
Application number: CN202111677502.4A
Authority: CN
Inventors: 张金玲; 王晨晨; 朱雄志; 郑占旗; 白烁冰; 段立凤; 肖展; 王颖飞
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本发明涉及一种超表面单元及具有其的超表面能量收集器，包括：金属贴片、若干箭头型金属枝节以及金属导线；所述金属贴片设置在中央；各所述箭头型金属枝节分别以所述金属贴片的中心为对称中心布设在所述金属贴片的外边缘，并与所述金属贴片相连；各所述金属导线分别设置在两两所述箭头型金属枝节之间，且各所述金属导线一端与所述金属贴片相连，另一端作为所述超表面单元的阻抗端口用于通过二极管与相邻超表面单元的对应金属导线连接，集成共面设计。本发明可以广泛应用于能量收集器技术领域。

Description

一种超表面单元及具有其的超表面能量收集器

技术领域

本发明涉及能量收集器技术领域，具体涉及一种超表面单元及具有其的超表面能量收集系统，尤其是涉及一种极化不敏感、宽入射角、谐波抑制的高效率超表面单元及具有其的超表面能量收集器。

背景技术

RF(射频)能量收集器可以对周围空间分布的电磁RF能量进行回收，成为当下一种极具前景的低功耗设备供电解决方案。RF是能量收集的丰富来源，它可以从世界各地数十亿的无线电发射器中发射而出，这些发射器包括移动电话、移动电话基站和电视/电台信号发生基站等等。RF信号通过天线接收，接收后的能量既可以用在RF-DC的转换器上又可以用于单纯的RF应用上。捕获这类能量的能力有助于创建新的无电池设备，并允许电池供电设备通过无线方式实现点滴式充电。除了环境中的RF能量外，另一种方式是在特殊应用场景下专门部署的RF能量发射设备所发送的RF功率，其能量密度高，定向性好，可使无线电源系统获得更高能量，适合于大功率供电。

接收天线是RF能量收集器的主要部件。接收天线最重要的指标就是采集效率，高的采集效率是提高整个接收系统效率的关键。为了适应实际应用需求，接收天线还应该具备以下特点：首先，由于环境中电磁波的极化方向、入射方向是不确定的，所以要求接收系统具有极化不敏感和宽入射角的特性；其次，在接收系统中需要加入整流二极管等非线性器件，而二极管产生的高次谐波会被二次辐射，造成系统效率降低和电磁兼容问题，所以要求接收系统中附加谐波抑制功能；再者，能量收集器所搭载的设备终端多种多样，所以要求接收系统具有小型化、高集成度、功率自适应性等特点。

为了接收多种极化的电磁波，需要将接收天线设计为圆极化天线；为了实现宽入射角接收，需要将接收天线设计为全向或半全向天线。所以现有技术中通常通过设计圆极化全向天线实现接收天线的多极化与宽入射角特性。

对于谐波抑制的实现方法主要包括：(1)谐波抑制通过整流电路中设计来实现，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，低通滤波器的设计通常需要采用并联大电容的结构，同时设计匹配电路实现与天线的阻抗匹配。(2)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，上述实现方法存在以下问题：

(1)采集效率低。天线的接收采集效率在70％左右。

(2)仅能接收特定极化和入射角下的电磁波。接收天线一般为单极化窄带天线，仅针对特定极化和法向入射时会有较高的效率，其他情况下由于极化失配或者波束偏差几乎接收不到能量。若设计为圆极化接收天线，对于线极化入射的电磁波存在3dB的极化失配，也就损失了一半的能量。

(3)集成度低、成本高。接收天线和整流电路之间为了抑制高次谐波造成的效率下降，需要并联大电容和复杂谐波抑制结构，使系统集成度降低，成本增加。

(4)尺寸大。在常规接收天线阵列中，单元尺寸大小一般与谐振频率所对应的空气中半波长相同，而阵列中相邻单元间距一般都要求较大以避免单元间的耦合。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种超表面单元及具有其的超表面能量收集器，该超表面能量收集器就有极化不敏感、宽入射角、谐波抑制的特性，同时可以适配不同二极管，实现功率自适应性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种超表面单元，包括：

金属贴片、若干箭头型金属枝节以及金属导线；

所述金属贴片设置在中央；

各所述箭头型金属枝节分别以所述金属贴片的中心为对称中心布设在所述金属贴片的外边缘，并与所述金属贴片相连；

各所述金属导线分别设置在两两所述箭头型金属枝节之间，且各所述金属导线一端与所述金属贴片相连，另一端作为所述超表面单元的阻抗端口用于通过二极管与相邻超表面单元的对应金属导线连接，集成共面设计。

进一步，所述金属贴片采用圆形金属贴片、开缝矩形金属贴片或棱形金属贴片中的任意一种。

进一步，所述金属贴片为圆形金属贴片时，直径为5mm。

进一步，所述金属贴片上还设置有谐波抑制结构，所述谐波抑制结构为以所述金属贴片的中心为对称中心的若干开缝结构。

进一步，所述开缝结构为T型槽、U型槽或Y型槽中的任意一种。

进一步，两两所述箭头型金属枝节之间预留有间隙，所述间隙宽度为1mm；各所述箭头型金属枝节从与所述金属贴片外边缘连接处到箭头尖端的长度为5mm。

进一步，所述超表面单元的阻抗与空间自由阻抗匹配；所述超表面单元的阻抗端口与不同功率范围的二极管输入阻抗相匹配。

第二方面，本发明提供一种超表面能量收集器，其包括：

基板、超表面单元阵列、二极管整流单元、滤波器和负载；

所述超表面单元阵列由设置在所述基板上的若干超表面单元和带有接地通孔的超表面单元周期性交替排布而成；

各所述超表面单元并联或串联连接，定义为Dc+；

各所述带有接地通孔的超表面单元分别通过其上设置的接地通孔连接到地，与地形成等势面，定义为Dc-；

所述二极管整流单元包括若干二极管，且各所述二极管的两端分别连接到一对Dc+和Dc-，实现对射频能量的整流；

整流后的交流电能经所述滤波器进入所述负载。

进一步，所述基板采用ROGERS5880介质基板。

进一步，所述滤波器采用F类DC滤波器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)高效率：本发明通过设计新型的超表面能量收集器结构，使超表面的表面阻抗等于自由空间阻抗，实现对入射电磁波的无反射吸收，吸收效率可以达到98％以上，相较于传统的接收天线效率仅有70％-80％的接收效率，使接收效率最大提高20％，可达95％以上；

(2)多极化：本发明通过设计具有中心对称拓扑的超表面单元和谐波抑制结构，增强超表面单元间的有效耦合，使超表面单元可以采集到各种极化角入射的能量，最终在任意极化角入射下都能实现90％以上吸收效率，实现了极化不敏感特性；

(3)宽入射角：通过设计人工电磁表面收集器结构，提取等效参数，在斜入射的条件下仿真计算全吸收所需要满足的幅度条件和相位条件，进一步拓宽入射角范围：在TE极化下，入射角45°的范围内实现吸收效率高于85％；在TM极化下，入射角60°的范围内吸收效率高于70％；

(4)谐波抑制：本发明通过将谐波抑制功能直接集成到超表面单元，消除了谐波抑制电路，解决了系统中的电磁兼容问题，使总接收整流效率提高3％-5％，达到了78％；

(5)小型化：超表面能量收集器2*2的阵列尺寸仅为传统2*2接收天线阵列的1/10，若更换高介电常数基板尺寸可进一步减小到传统接收天线单元的1/20；

(6)功率自适应性：根据采集功率量级可以灵活调整阵面大小和二极管类型，使得能量收集器在不同功率密度下具有自适应性，从而可应用于不同供电需求的终端设备；

因此，本发明可以广泛应用于能量收集器技术领域。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是不带谐波抑制功能的孔缝型超表面能量收集器单元；

图2是带谐波抑制功能的T字槽孔缝型超表面能量收集器单元；

图3是2×2超表面能量收集器阵列结构示意图；

图4是2×2超表面能量收集器等效整流电路示意图；

图5是T字槽孔缝型超表面能量收集器反射系数与吸收率；

图6是T字槽孔缝型超表面能量收集器在不同极化角下的吸收率；

图7是TE极化下，T字槽孔缝型超表面能量收集器在不同入射角下的吸收率；

图8是TM极化下，T字槽孔缝型超表面能量收集器在不同入射角下的吸收率；

图9是T字槽孔缝型超表面能量收集器和孔缝型超表面能量收集器反射系数；

图10是T字槽孔缝型超表面能量收集器和孔缝型超表面能量收集器效率；

图中各部件标号如下：

1、金属贴片；2、箭头型金属枝节；3、金属导线；4、谐波抑制结构。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

首先对本发明涉及到的相关技术进行简单介绍：

WPT:全称为wireless power transmission,无线能量传输,借助于电磁场或电磁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。

AC:全称为Alternating Current，交流电是指电流方向随时间作周期性变化的电流，在一个周期内的平均电流为零。不同于直流电，它的方向是会随着时间发生改变的，而直流电没有周期性变化。

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。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种超表面单元，其包括：圆形金属贴片1、若干箭头型金属枝节2以及金属导线3。其中，圆形金属贴片1设置在中央；各箭头型金属枝节2分别以圆形金属贴片1的圆心为对称中心布设在圆形金属贴片1的外边缘；各金属导线3分别设置在两两箭头型金属枝节2之间，且各金属导线3一端与圆形金属贴片1相连，另一端作为超表面单元的阻抗端口用于通过二极管与相邻超表面单元的对应金属导线连接，集成共面设计。

作为一个优选的实施例，超表面单元中的圆形金属贴片1还可以更换为开缝矩形或菱形贴片，且超表面单元的阻抗需要被设计为与自由空间阻抗和二极管阻抗同时匹配。

作为一个优选的实施例，如图2所示，超表面单元上还可以设置有谐波抑制结构4，该谐波抑制结构4为在圆形金属贴片1上设置的以圆形金属贴片1的圆心为对称中心的若干开缝结构。其中，谐波抑制结构可以在二次和三次谐波处使超表面能量收集器表现出严重的阻抗不匹配，解决了超表面单元与二极管产生的高次谐波二次辐射问题，用于在不影响自身吸收特性下实现对高次谐波的抑制。

作为一个优选的实施例，开缝结构可以为T型槽、U型槽或Y型槽等。

作为一个优选的实施例，两两箭头型金属枝节2之间预留有间隙，间隙宽度W优选为1mm左右，该间隙增大了电容效应，便于实现与二极管的阻抗匹配，同时也扩展了带宽。

作为一个优选的实施例，超表面单元中，圆形金属贴片1的直径优选为5mm，各箭头型金属枝节2从与圆形金属贴片1外边缘连接处到箭头尖端的长度优选为5mm。

作为一个优选的实施例，超表面单元的阻抗被设计为与空间自由阻抗匹配，以实现对入射波的无反射吸收。超表面单元的阻抗端口设计为与不同功率范围的二极管输入阻抗匹配，使超表面能量收集器可以通过更换二极管适用不同输入功率范围，在不改变其他参数的情况下，超表面能量收集器可以在低、中、高输入功率范围内有效地采集能量。

实施例2

如图3所示，本实施例提供一种超表面能量收集器，其包括：基板、超表面单元阵列、二极管整流单元、滤波器和负载。其中，超表面单元阵列由设置在基板上的若干超表面单元和带有接地通孔的超表面单元周期性交替排布而成；各超表面单元并联连接，定义为Dc+；各带有接地通孔的超表面单元分别通过其上设置的接地通孔连接到地，与地形成等势面，定义为Dc-；二极管整流单元包括若干二极管，且每一二极管的两端分别连接到一对Dc+和Dc-，实现对射频能量的整流；整流后的交流电能经滤波器后进入负载。

作为一个优选的实施例，基板采用低损耗的ROGERS5880介质基板，采用低损耗的介质基板可以最大限度地降低介电损耗，从而提高超表面能量收集器的效率。

作为一个优选的实施例，滤波器采用F类DC滤波器。

作为一个优选的实施例，本实施例中，各超表面单元之间还可以采用串联连接实现，连接方法为本领域技术人员公知技术，本发明在此不再赘述。

如图4所示，为图3所示超表面能量收集器的等效整流电路。二极管两端连接到Dc+和Dc-，所有等效的整流单元电路通过Dc+并联，形成并联型的等效整流电路。最后流入F类DC滤波器中，以保证直流波形的平滑输出，并隔离RF功率与负载load，U为负载两端的电压。另外，若并联的整流单元数量增加，会导致负载阻力的降低，以实现更高的效率。

实施例3

本实施例使用全波模拟器CST对图3所示的超表面单元进行了仿真。仿真条件为：该超表面单元在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。

如图5所示，为模拟的散射参数和吸收率。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,S₁₁代表端口2匹配时，端口1的反射系数，S₂₁代表端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数。改变入射电磁波的极化角和入射角以获得超表面在复杂环境下的电磁波吸收效率，图6给出了在0-90°极化角下超表面能量收集器的吸收率，可以得出超表面能量收集器可以采集到各种极化角入射的能量，最终在任意极化角入射下都能实现90％以上吸收效率，实现了极化不敏感的特性。

如图7和图8所示，在TE极化和TM极化下，入射角为0-60°时超表面能量收集器的吸收率。在TE极化下，入射角45°的范围内超表面能量收集器的吸收效率高于70％；在TM极化下，入射角60°的范围内超表面能量收集器的吸收效率高于85％。可知，超表面能量收集器具有宽角度入射特性。

实施例4

本实施例中，为了验证加入谐波抑制结构后对超表面能量收集器效率提升的效果，分别设计制作了两款超表面能量收集器。一款为图3所示不带谐波抑制结构(T型槽)的能量收集器，另一款为图4所示带谐波抑制结构(T型槽)的能量收集器，除了谐波抑制结构外，两者其余结构的尺寸和布局完全相同。

如图9所示，给出了两款能量收集器的反射系数，可知T字槽孔缝型超表面能量收集器对高次谐波具有明显的抑制作用。在相同的外部条件下对两者进行性能测试。实际的测量装置依次是DC电源、扫频源、功率放大器。功率放大器输出的信号馈入标准喇叭天线，将能量收集器放置在距离喇叭天线1m处。利用扫频源调节输入信号的功率和频率。使用万用表测量负载R两端的直流电压Ur。通过以下的公式对射频能量收集效率进行计算。

其中，P_in为照射到超表面能量收集器的总时间平均功率，P_r为超表面能量收集器实际接收到的总时间平均功率，通过功率计实际测得，P_out为整流电路电阻负载两端接收到的可用时间平均功率。

通过F_riis公式可以得到P_in：

其中，P_t为功率放大器馈入喇叭天线的功率，G_t为发射喇叭天线实际增益,D是发射和接收天线距离，A_r为2x2超表面的占地面积。

通过下式可以计算得到P_out：

其中,R为整流电路负载电阻值，V_L为单个负载电阻两端电压值。

如图10所示，通过测试给出了两款超表面能量收集器均在自身最佳输入条件下的效率对比图，不带谐波抑制的能量收集器的效率总体低于带谐波抑制的能量收集器，谐波抑制可以将系统转换效率提高2％-4％。说明将谐波抑制结构集成到能量收集器的方案可以提高系统的转换效率，在这个过程中不额外增加成本和尺寸。

实施例5

为了验证超表面能量收集器的功率适应性，本实施例通过更换二极管以适用不同输入功率范围，二极管通常可以选择根据频率和输入功率范围，比如SMS-7630适用于低功耗应用、HSM-2850适合中等功率应用和HSM-2860用于大功率。通过引入匹配的二极管，在不改变其他参数的情况下，超表面能量收集器可以在低、中、高输入功率范围内有效地采集能量。也即，实施例1所提出的超表面能量收集器是一种功率自适应结构，适用于不同的射频功率电平，不需要改变结构参数，也不需要额外的匹配网络。表1给出了在不同二极管下实测超表面能量收集器的吸收转换效率。证明了超表面能量收集器可以适应不同的输入功率，非常适合功率密度不稳定的复杂环境。

表1能量收集器在不同二极管下接收整流效率

本发明实施例提供的超表面能量收集器相较于传统的接收天线，具有以下优点：

1、传统的接收天线效率较低，仅有70％-80％的接收效率。本发明通过设计新型的超表面能量收集器结构，使超表面的表面阻抗等于自由空间阻抗，实现对入射电磁波的无反射吸收，吸收效率可以达到98％以上。

2、在能量收集器进行能量接收时，线极化整流天线为了实现高效率吸收，需要发射天线和接收天线的严格极化对准，否则由于极化失配造成的效率损失是不可忽略的。具有整流功能的超表面阵列的研究大多是极化依赖的，本发明提出的超材料能量收集器可以采集到各种极化角入射的能量，最终在任意极化角入射下都能实现90％以上吸收效率，具有极化不敏感的特性。

3、在实际能量收集环境中，由于入射电磁波可能会以各种不同的入射角入射，如何将各种入射角下的电磁波都能完美接收是目前一个亟待解决的问题，传统的接收天线对于非法向入射的电磁波的接收效率较低，降低了整个系统的总效率。本专利实现了具有宽角度入射特性的超表面能量收集器，在TE极化下，入射角45°的范围内实现吸收效率高于85％；在TM极化下，入射角60°的范围内吸收效率高于70％。

4、已有的基于超表面的能量收集器都没有将谐波抑制集成到超表面单元设计上，所以二极管高次谐波的辐射会造成一定的效率损失。本发明为了兼顾高效率能量收集与谐波抑制功能，创新性的提出在电磁超表面上集成谐波抑制结构，能量收集器在5.8GHz实现全吸收，二次和三次谐波处全反射。最终实现整体接收整流效率提升，与不加谐波抑制的能量收集器相比，接收整流效率可以提高2％-4％。

5、本发明提出的超表面能量收集器可以通过更换二极管适用不同输入功率范围，二极管通常可以选择根据频率和输入功率范围，在不改变其他参数的情况下，超表面能量收集器可以在低、中、高输入功率范围内有效地采集能量。所提出的能量收集器是一种功率自适应结构，适用于不同的射频功率电平，不需要改变结构参数，也不需要额外的匹配网络。

综上，本发明具有小尺寸、高集成度、高效率、极化独立、宽入射角和功率自适应的特点。是新型的智能集成能量收集毫微功耗管理解决方案，首先非常适用与RFID标签集成为自供电电子标签，用于仓储、交通、追踪定位等，实现一次装载，永久使用；其次可以与各类移动的、低功耗工业物联网传感器集成使之成为各类无源传感器；再次可以通过片上集成形成标准化供电模块，并提供电源管理接口，便于任意低功耗电子设备配置。

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

1.一种超表面单元，其特征在于，包括：

金属贴片、若干箭头型金属枝节以及金属导线；

所述金属贴片设置在中央；

2.如权利要求1所述的一种超表面单元，其特征在于，所述金属贴片采用圆形金属贴片、开缝矩形金属贴片或棱形金属贴片中的任意一种。

3.如权利要求2所述的一种超表面单元，其特征在于，所述金属贴片为圆形金属贴片时，直径为5mm。

4.如权利要求1所述的一种超表面单元，其特征在于，所述金属贴片上还设置有谐波抑制结构，所述谐波抑制结构为以所述金属贴片的中心为对称中心的若干开缝结构。

5.如权利要求4所述的一种超表面单元，其特征在于，所述开缝结构为T型槽、U型槽或Y型槽中的任意一种。

6.如权利要求1所述的一种超表面单元，其特征在于，两两所述箭头型金属枝节之间预留有间隙，所述间隙宽度为1mm；各所述箭头型金属枝节从与所述金属贴片外边缘连接处到箭头尖端的长度为5mm。

7.如权利要求1所述的一种超表面单元，其特征在于，所述超表面单元的阻抗与空间自由阻抗匹配；所述超表面单元的阻抗端口与不同功率范围的二极管输入阻抗相匹配。

8.一种具有如权利要求1～7任一项所述超表面单元的超表面能量收集器，其特征在于，包括：

基板、超表面单元阵列、二极管整流单元、滤波器和负载；

各所述超表面单元并联或串联连接，定义为Dc+；

整流后的交流电能经所述滤波器进入所述负载。

9.如权利要求8所述的一种超表面能量收集器，其特征在于，所述基板采用ROGERS5880介质基板。

10.如权利要求8所述的一种超表面能量收集器，其特征在于，所述滤波器采用F类DC滤波器。