CN115395238B - 一种阵列式多频多模的微波段超表面无线能量采集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列式多频多模的微波段超表面无线能量采集器，包括至少一个单元结构；单元结构包括金属接地板层，金属接地板层一个面上依次设置有电介质层和谐振层；谐振层关于电介质层的纵轴对称，由单元结构的顶面至底面分别贯穿有第一导电柱和第二导电柱；且第一导电柱顶端位于开口谐振环靠近横轴的长边上，第二导电柱位于闭合谐振环的宽边上，且第一导电柱和第二导电柱均与金属接地板层不接触；第一导电柱和第二导电柱与外部负载连接；本发明所提出的结构具有良好的吸收和能量采集性能，且该结构不仅适用于射频功率收集系统，也适用于无线功率传输系统。

Description

一种阵列式多频多模的微波段超表面无线能量采集器

技术领域

本发明属于无线能量采集技术领域，尤其涉及一种阵列式多频多模的微波段超表面无线能量采集器。

背景技术

能量收集技术简单而言就是从周边环境中收集能量，指通过收集热、震动、光、电磁波等微量能量，使其转化为电能，通过能量管理单元为传感器或电子设备供电。

作为无线电能传输技术一个重要分支—基于电磁感应耦合原理的无线电能传输技术，是目前最有可能为用电装备无线供电提供解决方案的技术。应用于电气化交通工具(电动车、地铁、电气化列车等)、矿用机车、各类特殊环境移动设备等，实现大功率移动电气设备无线充电/实时无线供电；应用于家电及各类消费电子产品(如手机)。

目前，无线微波能量主要是通过整流天线来进行能量采集。但是整流天线功率转化效率低，且阵列形式单元间耦合干扰严重，导致整流天线占用面积大。

发明内容

本发明的目的是提供一种阵列式多频多模的微波段超表面无线能量采集器，采用微波段超表面作为单元结构，可以提升微波吸收效率且减小单元结构之间的间距。

本发明采用以下技术方案：一种阵列式多频多模的微波段超表面无线能量采集器，其特征在于，包括至少一个单元结构；

单元结构包括金属接地板层，金属接地板层一个面上依次设置有电介质层和谐振层；

谐振层关于电介质层的纵轴对称，谐振层由开口谐振环和闭合谐振环组成，开口谐振环和闭合谐振环均为长方形环，分别位于电介质层的横轴的两侧，且二者与横轴的距离相等；开口谐振环的长边和闭合谐振环的长边均平行于横轴；

开口谐振环靠近横轴的长边上具有一个开口，开口使开口谐振环的内部与外部连通，且开口相对于电介质层的纵轴对称；

由单元结构的顶面至底面分别贯穿有第一导电柱和第二导电柱；且第一导电柱顶端位于开口谐振环靠近横轴的长边上，第二导电柱位于闭合谐振环的宽边上，且第一导电柱和第二导电柱均与金属接地板层不接触；

第一导电柱和第二导电柱与外部负载连接。

进一步地，电介质层和金属接地板层的连接面均为平面，且二者的截面均为正方形，截面与连接面平行。

进一步地，开口谐振环的长边长度大于闭合谐振环的长边长度，开口谐振环的宽边长度大于闭合谐振环的宽边长度。

进一步地，开口谐振环和闭合谐振环的厚度相等。

进一步地，开口谐振环靠近横轴的长边宽度和两个宽边的宽度均相等，且开口谐振环远离横轴的长边宽度小于其宽边的宽度。

进一步地，闭合谐振环靠近横轴的长边宽度和两个宽边的宽度均相等，且闭合谐振环远离横轴的长边宽度小于其宽边的宽度。

进一步地，电介质层和金属接地板层的界面的边长为22mm；

开口谐振环和闭合谐振环均有厚度为0.035mm的纯铜板组成；

开口谐振环的长为20mm、宽为9mm；

开口谐振环远离横轴的长边的宽度为2.3mm，两个宽边的宽度为2.8mm，靠近横轴的长边的宽度为2.8mm；开口为长方形开口，开口的长度、等于开口谐振环靠近横轴的长边的宽度，开口的宽度为1mm。

进一步地，闭合谐振环的长为17mm，宽为7.65mm；

闭合谐振环靠近横轴的长边的宽度2.38mm，宽边的宽度为2.38mm，闭合谐振环远离横轴的长边的宽度1.96mm。

进一步地，以截面中心点为坐标原点，横轴为x轴，纵轴为y轴建立坐标系；

第一导电柱的中心点坐标为(-4.75，1.9)，单位为mm，第一导电柱的半径为0.5mm；

第二导电柱的中心点坐标为(-7.31，-5.1)，单位为mm，第二导电柱的半径为0.5mm。

进一步地，单元结构为四个，排布方式为2*2。

本发明的有益效果是：本发明利用超表面实现了对电磁波的完美吸收，突破了传统整流天线吸收率低的缺点，采集到的能量绝大部分通过导电柱流向负载，由于采用的电介质层损耗很低，因此从自由空间采集到的能量在电介质层处的损耗很低，能量采集效率有了极大的提高，所提出的结构具有良好的吸收和能量采集性能，且该结构不仅适用于射频功率收集系统，也适用于无线功率传输系统。

附图说明

图1为本发明实施例中单元结构的结构示意图；

图2为本发明实施例中单元结构的背面结构示意图；

图3为本发明实施例中单元结构的侧面结构示意图；

图4为本发明实施例中2*2个单元结构组成的阵列的结构示意图；

图5为本发明实施例中馈电网络层中各微带线的宽度示意图；

图6为本发明实施例中基于单元结构的仿真电磁波垂直入射时的吸收率和能量采集效率图；

图7为本发明实施例中阵列在仿真电磁波垂直入射时的吸收率和能量采集效率图；

图8为本发明实施例中单元结构在TE模式下电介质层、金属和负载处的功率损耗效率仿真结果图；

图9为本发明实施例中阵列结构在TE模式下电介质层、金属和负载处的功率损耗效率仿真结果图；

图10为本发明实施例中单元结构在TM模式下电介质层、金属和负载处的功率损耗效率仿真结果图；

图11为本发明实施例中阵列结构在TM模式下电介质层、金属和负载处的功率损耗效率仿真结果图；

图12为本发明实施例中单元结构在入射角分别为0°、15°、30°、45°时对 TE和TM吸收率仿真结果图；

图13为本发明实施例中单元结构在入射角分别为0°、15°、30°、45°时对 TE和TM能量采集效率仿真结果图；

图14为本发明实施例中阵列结构的S参数示意图；

图15为本发明实施例中阵列结构在入射角分别为0°、15°、30°、45°时对 TE和TM吸收率仿真结果图；

图16为本发明实施例中阵列结构在入射角分别为0°、15°、30°、45°时对 TE和TM能量采集效率仿真结果图。

其中：1.谐振层；2.电介质层；3.金属接地板层；5.第一导电柱；7.第二导电柱；8.基板；9.馈电网络层；10.接地层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

超材料是一种具有独特电磁特性的具有亚波长结构的人工结构材料。超表面是具有二维结构的超材料，具有损耗低、重量轻、易于集成等优点，大大降低了制作工艺的要求，同时超材料的一个关键应用是完美吸收。超材料可以设计为既不反射也不传输任何功率的介质，从而能够在特定频率和极化范围内完全吸收入射波，在无线功率传输(WPT)中具有极大的潜力和应用前景。理论上，通过调整介电常数和磁导率可实现完美吸收，使得超材料的阻抗与自由空间的阻抗相匹配。

传统进行微波能量传输的天线阵列需要相邻天线元件间有较大的间距来避免相互耦合产生的不利影响，基于超表面的能量采集器阵列可达到更密集的配置和更小的总占地面积。此外，它具有更大的结构灵活性，可在无需额外电路的情况下用它来匹配阻抗。研究基于超表面实现无线能量采集的理论和方法，对于物联网中低功耗无线传感器的电源设计和无线功率传输系统提供了新的设计思路。

本发明公开了一种阵列式多频多模的微波段超表面无线能量采集器，包括至少一个单元结构；如图1、图2和图3所示，单元结构包括金属接地板层3，金属接地板层3一个面上依次设置有电介质层2和谐振层1；谐振层1关于电介质层2的纵轴对称，谐振层1由开口谐振环和闭合谐振环组成，开口谐振环和闭合谐振环均为长方形环，分别位于电介质层2的横轴的两侧，且二者与横轴的距离相等；开口谐振环的长边和闭合谐振环的长边均平行于横轴；开口谐振环靠近横轴的长边上具有一个开口，开口使开口谐振环的内部与外部连通，且开口相对于电介质层2的纵轴对称；由单元结构的顶面至底面分别贯穿有第一导电柱5和第二导电柱7；且第一导电柱5顶端位于开口谐振环靠近横轴的长边上，第二导电柱7位于闭合谐振环的宽边上，且第一导电柱5和第二导电柱7 均与金属接地板层3不接触；第一导电柱5和第二导电柱7与外部负载连接。

本发明利用超表面实现了对电磁波的完美吸收，突破了传统整流天线吸收率低的缺点，采集到的能量绝大部分通过导电柱流向负载，由于采用的电介质层损耗很低，因此从自由空间采集到的能量在电介质层处的损耗很低，能量采集效率有了极大的提高，所提出的结构具有良好的吸收和能量采集性能，且该结构不仅适用于射频功率收集系统，也适用于无线功率传输系统。

在本发明实施例中，电介质层2和金属接地板层3的连接面均为平面，且二者的截面均为正方形，截面与连接面平行。电介质层2选用介电常数为10、损耗正切为0.0025的f4b材料制得，其边长22mm，厚度2.54mm。金属接地板层3采用厚度0.035的铜片，边长为22mm，且其上具有用于供导电柱穿过的通孔，该通孔的直径大于导电柱的直径，设为1mm，进而，就相当于在该金属接地板层3上开设了“圆环形空气层”。在该实施例中，导电柱均为实心铜柱。

开口谐振环和闭合谐振环的损耗正切值均为5.96e+007[S/m]。开口谐振环的长边长度大于闭合谐振环的长边长度，开口谐振环的宽边长度大于闭合谐振环的宽边长度。开口谐振环和闭合谐振环的厚度相等。开口谐振环靠近横轴的长边宽度和两个宽边的宽度均相等，且开口谐振环远离横轴的长边宽度小于其宽边的宽度。闭合谐振环靠近横轴的长边宽度和两个宽边的宽度均相等，且闭合谐振环远离横轴的长边宽度小于其宽边的宽度。

由上可知，本发明解决了传统天线采集环境中电磁波能量时窄带，结构复杂，能量采集效率低等问题。

如图6所示，为该实施例制备的基于人工电磁超表面的微波段能量采集器单元结构在仿真电磁波垂直入射时的吸收率和能量采集效率图，由图可知，在 2.4GHz和2.7GHz上的吸收率均达到99％以上，能量采集效率大于90％。

作为一种具体的实现方式，电介质层2和金属接地板层3的界面的边长为 22mm；开口谐振环和闭合谐振环均有厚度为0.035mm的纯铜板组成；开口谐振环的长为20mm、宽为9mm；开口谐振环远离横轴的长边的宽度为2.3mm，两个宽边的宽度为2.8mm，靠近横轴的长边的宽度为2.8mm；开口为长方形开口，开口的长度、等于开口谐振环靠近横轴的长边的宽度，开口的宽度为 1mm。闭合谐振环的长为17mm，宽为7.65mm；闭合谐振环靠近横轴的长边的宽度2.38mm，宽边的宽度为2.38mm，闭合谐振环远离横轴的长边的宽度 1.96mm。

具体的，以截面中心点为坐标原点，横轴为x轴，纵轴为y轴建立坐标系；第一导电柱5的中心点坐标为(-4.75，1.9)，单位为mm，第一导电柱5的半径为0.5mm；第二导电柱7的中心点坐标为(-7.31，-5.1)，单位为mm，第二导电柱7的半径为0.5mm。

在另一个实施例中，单元结构为四个，如图4所示，排布方式为2*2，最后再将采集的交流能量进行整合。在该实施例中，将每个单元结构的金属接地板层3均连接在同一个基板8上，并在基板8的背面设置馈电网络层9，通过馈电网络层9将各个单元结构的导电柱连接起来后再接到负载上。

在该实施例中，为了使采集到的能量不被过多的损耗，基板选用为介电常数为3.55、损耗正切0.0027、边长44mm、厚度1.524mm的罗杰斯4003C。馈电网络层9将2*2阵列的八个导电柱按照电磁波的不同极化模式分别整合，其中微带线材质是铜，如图5所示，宽度分别为0.1mm、0.8mm、0.9mm， 2.5mm、0.04mm、0.81mm、2.5mm，厚度为0.035mm。

另外，如图5所示，两个电阻负载一端分别连接到两个独立控制的馈电网络的输出端，另一端则连接到接地层10上，为了与实际中的负载阻值相匹配，所选用的电阻都为50Ω。

在本实施例中，该单元结构中的谐振环尺寸和导电柱位置选择的方法具体为：

(1)建立一个简单的单元模型：包括谐振层1，电介质层2，金属接地板层 3，导电柱和电阻负载；

(2)将单元模型拓展为2*2阵列：在单元结构的金属接地板层3和电阻负载之间添加电介质基板8、馈电网络层9和接地层10，在馈电网络的两个输出端重新添加两个阻值50欧姆的电阻用于模拟负载。其中，导电柱依次穿过新添加的这几层结构并最终与馈电网络对应的输入端相连接。

(3)通过CST Microwave Studio软件在1～4GHz的频段范围内对两个谐振环的宽度和长度的仿真模型进行仿真，研究不同尺寸谐振环对吸收率和能量采集效率的影响；

(4)通过CST Microwave Studio软件在1～4GHz的频段范围内,对不同电介质层厚度的仿真模型进行仿真，研究不同电介质层厚度的对吸收率和能量采集效率的影响；

(5)通过CST Microwave Studio软件在1～4GHz的频段范围内,对馈电网络不同微带线宽度的仿真模型进行仿真，研究不同微带线宽度时的匹配情况和对吸收率和能量采集效率的影响；

(6)对仿真结果分析并综合考虑得到微波段吸收率和能量采集效率最优的尺寸。

另外，本发明实施例中馈电网络的设计方法具体为：

(1)选择合适材质和尺寸的电介质基板8，使能量在进入馈电网络之前的损耗尽可能小；

(2)利用ADS中的微带线阻抗计算方法，计算不同阻抗下微带线的宽度，从而得到各级馈电网络的具体尺寸，并对各级的长度进行参数扫描。

(3)通过CST Microwave Studio软件在1～4GHz的频段范围内，对加载馈电网络的2*2阵列进行仿真；

(4)对仿真结果分析并综合考虑得到吸收率和能量采集效率最优的尺寸结果。

本发明实施例对该2*2阵列进行了仿真验证，如图7所示，为阵列在仿真电磁波垂直入射时的吸收率和能量采集效率图，由图可知，在2.4GHz和3GHz 上的吸收率均在95％以上，能量采集效率大于90％。阵列结构中相邻单元间可以等效为电感或者电容，根据

可得，阵列结构下的共振频率会和单元结构的共振频率会发生偏移，在本结构中会使得TE波的工作频点发生蓝移。

如图8和图9所示，为上一实施例中单元结构和本实施例中阵列在TE模式下电介质层、金属和负载处的功率损耗效率仿真结果图。如图10和图11所示，为上一实施例中单元结构和本实施例中阵列在TM模式下电介质层、金属和负载处的功率损耗效率仿真结果图。由图可知，采集到的能量90％损耗在电阻负载上，其余则损耗在电介质层和金属中。因此，从这些结果可知本发明的能量采集器实现了对微波能量的高效采集，并且能量只有少部分被介质和金属损耗。

电磁波宽角度稳定入射时吸波体设计长期关注的一个重要指标。本发明通过参数扫描对微波能量采集器的斜入射特性进行了模拟分析。设电磁波入射方向与谐振器表面法向量的夹角为θ。分析研究了在恒电波和恒磁波沿不同入射角的仿真结果，为了便于分析结果，分别取入射角0°，15°，30°，45°。

图12为单元结构在入射角分别为0°、15°、30°、45°时对TE(图12a)和 TM(图12b)吸收率仿真结果图；图13为单元结构在入射角分别为0°、15°、 30°、45°时对TE(图13a)和TM(图13b)能量采集效率仿真结果图。

由图12可知，随着入射角度的增加，吸收峰也会有一个大约0.05GHz的频移，这是蓝移特性的表现，是因为随着入射电磁波角度的增加，入射电磁波作用在微波能量采集器表面的磁场分量减小，从而磁场分量激励起的表面电流变小，电流路径变短，谐振点往高频移动，最终在宏观方面表现出蓝移特性。虽然图13中采集效率随着入射角度的增大有较明显幅度的下降，然而采集效率在 45°入射角时仍旧可达到80％以上。

图14为阵列结构反射系数和透射系数的s参数，其中在2.4和3.0GHz处对应的极化波的反射系数均低于0.1，由于金属接地板的阻止了电磁波的透射，因此透射系数在整个频段都十分低。

图15为阵列结构在入射角分别为0°、15°、30°、45°时对TE(图15a)和 TM(图15b)吸收率仿真结果图；图16为单元结构在入射角分别为0°、15°、 30°、45°时对TE(图16a)和TM(图16b)能量采集效率仿真结果图。图15 和图16的吸收率和采集效率的变化与图12和图13相似。因此本发明的微波段能量采集器具有宽入射角的优良特性。

Claims (6)

1.一种阵列式多频多模的微波段超表面无线能量采集器，其特征在于，包括至少一个单元结构；

所述单元结构包括金属接地板层（3），所述金属接地板层（3）一个面上依次设置有电介质层（2）和谐振层（1）；

所述谐振层（1）关于所述电介质层（2）的纵轴对称，所述谐振层（1）由开口谐振环和闭合谐振环组成，所述开口谐振环和闭合谐振环均为长方形环，分别位于所述电介质层（2）的横轴的两侧，且二者与所述横轴的距离相等；所述开口谐振环的长边和所述闭合谐振环的长边均平行于所述横轴；

所述开口谐振环靠近所述横轴的长边上具有一个开口，所述开口使所述开口谐振环的内部与外部连通，且所述开口相对于所述电介质层（2）的纵轴对称；

由所述单元结构的顶面至底面分别贯穿有第一导电柱（5）和第二导电柱（7）；且所述第一导电柱（5）顶端位于所述开口谐振环靠近所述横轴的长边上，第二导电柱（7）的顶端位于所述闭合谐振环的宽边上，且所述第一导电柱（5）和第二导电柱（7）均与所述金属接地板层（3）不接触；

所述第一导电柱（5）和第二导电柱（7）与外部负载连接；

所述开口谐振环的长边长度大于所述闭合谐振环的长边长度，所述开口谐振环的宽边长度大于所述闭合谐振环的宽边长度；所述开口谐振环和闭合谐振环的厚度相等；所述开口谐振环靠近所述横轴的长边宽度和两个宽边的宽度均相等，且所述开口谐振环远离所述横轴的长边宽度小于其宽边的宽度；所述闭合谐振环靠近所述横轴的长边宽度和两个宽边的宽度均相等，且所述闭合谐振环远离所述横轴的长边宽度小于其宽边的宽度。

2.如权利要求1所述的一种阵列式多频多模的微波段超表面无线能量采集器，其特征在于，所述电介质层（2）和金属接地板层（3）的连接面均为平面，且二者的截面均为正方形，所述截面与所述连接面平行。

3.如权利要求1所述的一种阵列式多频多模的微波段超表面无线能量采集器，其特征在于，所述电介质层（2）和金属接地板层（3）的界面的边长为22mm；

所述开口谐振环和闭合谐振环均由厚度为0.035mm的纯铜板组成；

所述开口谐振环的长为20mm、宽为9mm；

所述开口谐振环远离所述横轴的长边的宽度为2.3mm，两个宽边的宽度为2.8mm，靠近所述横轴的长边的宽度为2.8mm；所述开口为长方形开口，所述开口的长度等于所述开口谐振环靠近所述横轴的长边的宽度，所述开口的宽度为1mm。

4.如权利要求3所述的一种阵列式多频多模的微波段超表面无线能量采集器，其特征在于，所述闭合谐振环的长为17mm，宽为7.65mm；

所述闭合谐振环靠近所述横轴的长边的宽度2.38mm，宽边的宽度为2.38mm，所述闭合谐振环远离所述横轴的长边的宽度1.96mm。

5.如权利要求4所述的一种阵列式多频多模的微波段超表面无线能量采集器，其特征在于，以所述截面中心点为坐标原点，所述横轴为x轴，所述纵轴为y轴建立坐标系；

所述第一导电柱（5）的中心点坐标为（-4.75，1.9），单位为mm，所述第一导电柱（5）的半径为0.5mm；

所述第二导电柱（7）的中心点坐标为（-7.31，-5.1），单位为mm，所述第二导电柱（7）的半径为0.5mm。

6.如权利要求1所述的一种阵列式多频多模的微波段超表面无线能量采集器，其特征在于，所述单元结构为四个，排布方式为2*2。

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