CN209183710U - 一种适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，包括若干个等行等列沿正交方向排列的谐振单元；谐振单元包括基板、绝缘体和螺旋线；其中，绝缘体固定嵌在基板的基板通孔中；绝缘体具有插线孔，插线孔为通孔；螺旋线设置在基板上，一端固定插在插线孔中；螺旋线具有若干圈螺旋，分为下螺旋部和上螺旋部；下螺旋部的各圈螺旋的半径相等、螺距线性渐变；上螺旋部的各圈螺旋的半径由底部至顶部方向等量递减、螺距线性渐变；各谐振单元的基板之间无缝相接。本实用新型具有高效、宽频等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于电磁技术领域，涉及一种电磁结构，尤其涉及一种适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构。
背景技术
人工电磁结构定义为人工制造的均匀电磁结构，具有自然所没有的反常特性，是由特定的几何形状的亚波长人工结构的基本单元非周期或周期排列构成的电磁材料结构。其具有自然界中原有材料所不具备的独特性质，其中出现了许多全新的物理现象。目前关于人工电磁结构的物理特性研究，及其在定向辐射高性能天线、电磁隐身、空间通信、探测技术和新型太赫兹波段功能器件等领域的应用研究开始成为国际物理学和电磁学界的研究热点。
人类社会发展进入了无线时代，人们获得信息越来越便捷和及时，随时随地的获取能量信息的需求日益强烈，在给国防安全、城市建筑、医疗检测等传感器和其他电子设备供电时，无线能量传输(WPT)成为一种很好的选择。无线能量传输是指能量从能量源传输到电负载的一个过程，这个过程摆脱了传统有线传输，通过自由空间来传输。无线输能被广泛应用于手机充电，机器人供电，RFID系统功能，微系统技术，微波驱动直升机、空间飞行器等领域。
在WPT过程中，电磁波的极化是必须考虑的重要因素。电磁波的极化是电磁波的一种重要性质，描述的方式是分析电场矢量振荡行为。当电磁波沿着波矢量的方向传播时，随着时间的变化，电场矢量末端所行轨迹可分为直线，椭圆，圆，它们分别对应着的极化方式为线极化，椭圆极化，以及圆极化。其中，辐射圆极化波的天线在移动通信、雷达系统、卫星通信领域也有着广泛的应用。传统的用于无线输能的圆极化谐振器效率虽然较高，但是工作频段窄，这在实际应用中带来诸多的不便因素。
实用新型内容
本实用新型提供一种适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，以克服现有技术的缺陷。
为实现上述目的，本实用新型提供一种适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，包括若干个等行等列沿正交方向排列的谐振单元；谐振单元包括基板、绝缘体和螺旋线；其中，绝缘体固定嵌在基板的基板通孔中；绝缘体具有插线孔，插线孔为通孔；螺旋线设置在基板上，一端固定插在插线孔中；螺旋线具有若干圈螺旋，分为下螺旋部和上螺旋部；下螺旋部的各圈螺旋的半径相等、螺距线性渐变；上螺旋部的各圈螺旋的半径由底部至顶部方向等量递减、螺距线性渐变；各谐振单元的基板之间无缝相接。
其中，下螺旋部为螺旋线的靠近基板的部分，上螺旋部为螺旋线的远离基板的部分。
“沿正交方向排列”是指，每行谐振单元与每列谐振单元相互垂直。
进一步，本实用新型提供一种适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，还可以具有这样的特征：其中，绝缘体设置在基板的边缘，位于其所在边的中点处。
进一步，本实用新型提供一种适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，还可以具有这样的特征：其中，所螺旋线共具有6圈螺旋，下螺旋部和上螺旋部分别具有3圈螺旋。
进一步，本实用新型提供一种适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，还可以具有这样的特征：其中，下螺旋部的3圈螺旋由其底端至顶端依次为第一螺旋、第二螺旋和第三螺旋；下螺旋部的螺距的线性渐变方程为：z(t)＝7.5×(t^2)+105×t，t为下螺旋部上某点的位置系数，范围为0～1，z(t)为该点至下螺旋部顶端的距离；t＝1/3时，z(1/3)为第三螺旋起点至下螺旋部顶端的距离，即为第二螺旋终点至第三螺旋终点的螺距；t＝2/3时，z(2/3)为第二螺旋起点至下螺旋部顶端的距离，z(2/3)-z(1/3)为第二螺旋起点至第三螺旋起点的螺距；t＝1时，z(1)为第一螺旋起点至下螺旋部顶端的距离，z(1)-z(2/3)为第一螺旋起点至第二螺旋起点的螺距。
进一步，本实用新型提供一种适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，还可以具有这样的特征：其中，上螺旋部的3圈螺旋由其底端至顶端依次为第四螺旋、第五螺旋和第六螺旋；上螺旋部的螺距的线性渐变方程为：z′(t′)＝45×(t′^2)+30×t′，t′为上螺旋部上某点的位置系数，范围为0～1，z′(t′)为该点至上螺旋部顶端的距离；t′＝1/3时，z′(1/3)为第六螺旋起点至上螺旋部顶端的距离，即第五螺旋终点至第六螺旋终点的螺距；t′＝2/3时，z′(2/3)为第五螺旋起点至上螺旋部顶端的距离，z′(2/3)-z′(1/3)为第五螺旋起点至第六螺旋起点的螺距；t′＝1时，z′(1)为第四螺旋起点至上螺旋部顶端的距离，z′(1)-z′(2/3)为第四螺旋起点至第五螺旋起点的螺距。
进一步，本实用新型提供一种适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，还可以具有这样的特征：其中，基板为正方形。
进一步，本实用新型提供一种适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，还可以具有这样的特征：其中，绝缘体呈圆柱形；插线孔设置在绝缘体的中心处；绝缘体两端的端面与基板的相应表面平齐。
进一步，本实用新型提供一种适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，还可以具有这样的特征：其中，上螺旋部的螺旋半径由下螺旋部的螺旋半径按圈数等量递减至顶部半径为零。
进一步，本实用新型提供一种适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，还可以具有这样的特征：其中，螺旋线的延伸方向垂直于基板。
进一步，本实用新型提供一种适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，还可以具有这样的特征：其中，基板和螺旋线的材料为铜；和/或，绝缘体的材料为聚四氟乙烯。
本实用新型的有益效果在于：本实用新型提供一种适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，与传统的圆极化能量接收器相比，采用形式新颖的人工电磁结构，能够实现对左旋圆极化波的高效宽频接收，结构简单且易于加工，通过调节谐振单元各个参量大小，可以方便的实现对于谐振频率，工作频点的调节。其次，每个谐振单元仅占用31mm乘31mm乘187.5mm，占用体积相对较小，与现代无线通信中对于设备小型化的要求契合度很好。另外，在工作频段范围内，即2GHz到4GHz频段，能量采集效率高于90％，弥补了传统圆极化能量接收谐振器工作频段窄的缺点，且在中心频点3GHz处，能量采集效率实现高于99％，明显高于传统的圆极化能量接收谐振器。本实用新型具有高效、宽频等优点。
附图说明
图1是螺旋人工电磁结构的示意图；
图2是谐振单元的立体图；
图3是谐振单元的俯视图；
图4是谐振单元的仰视图；
图5是螺旋人工电磁结构的左旋圆极化能量传输效率图；
图6是螺旋人工电磁结构的s11数据图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本实用新型的具体实施方式。
如图1所示，本实用新型提供一种适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，包括20行×20列个沿正交方向规则排列的谐振单元1。其中，“沿正交方向排列”是指，每行谐振单元与每列谐振单元相互垂直。
本实施例中，谐振单元的数量可以根据需要设制，需满足呈等行等列周期性正交排列。
如图2-4所示，谐振单元1包括基板11、绝缘体12和螺旋线13。
基板11为正方形。
基板11的材料为铜。基板11的边长与厚度之比为31:3，优选的，基板11的尺寸为31mm×31mm×3mm。
绝缘体12呈圆柱形，固定嵌在基板11的基板通孔中。绝缘体12设置在基板11的边缘，位于其所在边的中点处。绝缘体12两端的端面与基板11的相应表面平齐。
绝缘体12的中心具有插线孔，插线孔为通孔。
绝缘体12的材料为聚四氟乙烯。绝缘体12的外半径与内半径之比为2:0.6，优选的，外半径尺寸为2mm，内半径尺寸为0.6mm。
螺旋线13设置在基板11上，一端固定插在插线孔中。螺旋线13的延伸方向垂直于基板11。
螺旋线13共具有6圈螺旋，分为靠近基板部分的下螺旋部和远离基板部分的上螺旋部。
下螺旋部包括3圈螺旋，由其底端至顶端依次为第一螺旋131、第二螺旋132和第三螺旋133。下螺旋部的螺距线性渐变，线性渐变方程为：z(t)＝7.5×(t^2)+105×t，t为下螺旋部上的某点的位置系数，范围为0～1，z(t)为该点至下螺旋部顶端的距离。
t＝1/3时，z(1/3)为第三螺旋133起点至下螺旋部顶端的距离，其中，第三螺旋133的起点即为第二螺旋132的终点，下螺旋部的顶端即为第三螺旋133的终点，因此，z(1/3)即为第二螺旋132终点至第三螺旋133终点的螺距。
t＝2/3时，z(2/3)为第二螺旋132起点至下螺旋部顶端的距离，z(2/3)-z(1/3)为第二螺旋132起点至第三螺旋133起点的距离，其中，第二螺旋132起点即为第一螺旋131终点，第三螺旋133起点即为第二螺旋132终点，因此，(2/3)-z(1/3)即为第一螺旋131终点至第二螺旋132终点的螺距。
t＝1时，z(1)为第一螺旋131起点至下螺旋部顶端的距离，z(1)-z(2/3)为第一螺旋131起点至第二螺旋132起点的距离，其中，第一螺旋131起点即为基板11表面，第二螺旋132起点即为第一螺旋131终点，因此，z(1)-z(2/3)即为基板11表面至第一螺旋131终点的螺距。
优选的，第三螺旋133至第二螺旋132的螺距为35.83mm，第二螺旋132至第一螺旋131的螺距为37.5mm，第一螺旋131至基板11的螺距为39.17mm，下螺旋部的总的高度为112.5mm。
下螺旋部的各圈螺旋的半径相等。优选的，下螺旋部的各圈螺旋的半径为13mm。
上螺旋部包括3圈螺旋，由其底端至顶端依次为第四螺旋134、第五螺旋135和第六螺旋136。上螺旋部的螺距线性渐变，线性渐变方程为：z′(t′)＝45×(t′^2)+30×t′，t′为上螺旋部上的某点的位置系数，范围为0～1，z′(t′)为该点至上螺旋部顶端的距离。
t′＝1/3时，z′(1/3)为第六螺旋136起点至上螺旋部顶端的距离，其中，上螺旋部顶端即为第六螺旋136终点，第六螺旋136起点即为第五螺旋135终点，因此，z′(1/3)即为第六螺旋136终点至第五螺旋135终点的螺距。
t′＝2/3时，z′(2/3)为第五螺旋135起点至上螺旋部顶端的距离，z′(2/3)-z′(1/3)为第五螺旋135起点至第六螺旋136起点的距离，其中，第五螺旋135起点即为第四螺旋134终点，第六螺旋136起点即为第五螺旋135终点，因此，z′(2/3)-z′(1/3)即为第四螺旋134终点至第五螺旋135终点的螺距。
t′＝1时，z′(1)为第四螺旋134起点至上螺旋部顶端的距离，z′(1)-z′(2/3)为第四螺旋134起点至第五螺旋135起点的距离，其中，第四螺旋134起点即为下螺旋部的顶端，第五螺旋135起点即为第四螺旋134终点，因此，z′(1)-z′(2/3)即为下螺旋部顶端至第四螺旋134终点的螺距，即第三螺旋133终点至第四螺旋134终点的螺距。
优选的，第六螺旋136至第五螺旋135的螺距为15mm，第五螺旋135至第四螺旋134的螺距为25mm，第四螺旋134至第三螺旋133的螺距为35mm。上螺旋部的总的高度为75mm。
上螺旋部的各圈螺旋的半径由底部至顶部方向等量递减，由下螺旋部的螺旋半径按圈数等量递减至上螺旋部的顶部半径为零。
螺旋线13的材料为铜，铜线的半径为0.6mm。
各谐振单元1的基板11之间无缝相接，制作时，20×20个基板11一体成型，构成整体电磁结构。
电磁结构的端口为各螺旋线13插入绝缘体12的端部。绝缘体12的后端可通过同轴线连接整流电路，本实施例中，将端口整流电路等效为电阻负载，该电阻负载代表输出端口整流电路的输入阻抗。如图4所示，电阻负载2焊接在绝缘体12的底端端面，其端部与螺旋线13连接，用于模拟能量传输接收端，为了更好地与传输线匹配，阻值选为50欧姆。
当左旋圆极化电磁波垂直入射到整个螺旋人工电磁结构时，产生谐振，螺旋线表面产生顺时针方向极化电流，能量将损耗在各个端口处的电阻负载上，损耗的百分比等效为对能量的采集效率，即能量采集效率可以通过消耗在负载上的能量来表示。如图5所示，在工作频段2至4GHz内，能量采集效率高于90％，在中心工作频点3GHz时，采集到的能量高过99％、在铜制基板、聚四氟乙烯绝缘体和铜制螺旋线中的能量损耗几乎可以忽略。
图6为本螺旋人工电磁结构的代表其回波损耗特性的s11数据。由图可知，在工作频段2至4GHz内，其回波损耗特性低，接收效率高。
Claims (10)
1.一种适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，其特征在于：
包括若干个等行等列沿正交方向排列的谐振单元；
所述谐振单元包括基板、绝缘体和螺旋线；
其中，所述绝缘体固定嵌在所述基板的基板通孔中；
所述绝缘体具有插线孔，插线孔为通孔；
所述螺旋线设置在基板上，一端固定插在所述插线孔中；
所述螺旋线具有若干圈螺旋，分为下螺旋部和上螺旋部；
所述下螺旋部的各圈螺旋的半径相等、螺距线性渐变；
所述上螺旋部的各圈螺旋的半径由底部至顶部方向等量递减、螺距线性渐变；
各所述谐振单元的基板之间无缝相接；
其中，下螺旋部为螺旋线的靠近基板的部分，上螺旋部为螺旋线的远离基板的部分。
2.根据权利要求1所述的适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，其特征在于：
其中，所述绝缘体设置在所述基板的边缘，位于其所在边的中点处。
3.根据权利要求1所述的适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，其特征在于：
其中，所螺旋线共具有6圈螺旋，下螺旋部和上螺旋部分别具有3圈螺旋。
4.根据权利要求2所述的适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，其特征在于：
其中，所述下螺旋部的3圈螺旋由其底端至顶端依次为第一螺旋、第二螺旋和第三螺旋；
所述下螺旋部的螺距的线性渐变方程为：z(t)＝7.5×(t^2)+105×t，t为所述下螺旋部上某点的位置系数，范围为0～1，z(t)为该点至所述下螺旋部顶端的距离；
t＝1/3时，z(1/3)为第三螺旋起点至下螺旋部顶端的距离；
t＝2/3时，z(2/3)为第二螺旋起点至下螺旋部顶端的距离，z(2/3)-z(1/3)为第二螺旋起点至第三螺旋起点的螺距；
t＝1时，z(1)为第一螺旋起点至下螺旋部顶端的距离，z(1)-z(2/3)为第一螺旋起点至第二螺旋起点的螺距。
5.根据权利要求2所述的适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，其特征在于：
其中，所述上螺旋部的3圈螺旋由其底端至顶端依次为第四螺旋、第五螺旋和第六螺旋；
所述上螺旋部的螺距的线性渐变方程为：z′(t′)＝45×(t′^2)+30×t′，t′为所述上螺旋部上某点的位置系数，范围为0～1，z′(t ′)为该点至所述上螺旋部顶端的距离；
t′＝1/3时，z′(1/3)为第六螺旋起点至上螺旋部顶端的距离；
t′＝2/3时，z′(2/3)为第五螺旋起点至上螺旋部顶端的距离，z′(2/3)-z′(1/3)为第五螺旋起点至第六螺旋起点的螺距；
t′＝1时，z′(1)为第四螺旋起点至上螺旋部顶端的距离，z′(1)-z′(2/3)为第四螺旋起点至第五螺旋起点的螺距。
6.根据权利要求1所述的适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，其特征在于：
其中，所述基板为正方形。
7.根据权利要求1所述的适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，其特征在于：
其中，所述绝缘体呈圆柱形；
所述插线孔设置在绝缘体的中心处；
所述绝缘体两端的端面与所述基板的相应表面平齐。
8.根据权利要求1所述的适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，其特征在于：
其中，所述上螺旋部的螺旋半径由所述下螺旋部的螺旋半径按圈数等量递减至顶部半径为零。
9.根据权利要求1所述的适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，其特征在于：
其中，所述螺旋线的延伸方向垂直于所述基板。
10.根据权利要求1所述的适用于宽带圆极化无线能量接收的螺旋人工电磁结构，其特征在于：
其中，所述基板和螺旋线的材料为铜；
和/或，所述绝缘体的材料为聚四氟乙烯。
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