基于電磁超表面互補結(jié)構的環(huán)境射頻微能量收集裝置的制造方法
【專利摘要】一種基于電磁超表面互補結(jié)構的環(huán)境射頻微能量收集裝置，包括介質(zhì)基板，介質(zhì)基板背面貼合有金屬地板，介質(zhì)基板正面貼合有金屬貼片結(jié)構，金屬地板為正方形，其邊長與介質(zhì)基板表面的正方形的邊長相等。金屬貼片結(jié)構為正方形，其邊長小于介質(zhì)基板表面正方形的邊長。金屬地板、金屬貼片結(jié)構和介質(zhì)基板同軸。介質(zhì)基板為表面正方形的長方體結(jié)構，介質(zhì)基板表面的對角線上設有金屬化過孔。金屬化過孔和貼合于介質(zhì)基板正面的金屬貼片結(jié)構相接。金屬化過孔與金屬地板通過負載電阻相接。本發(fā)明結(jié)構簡單緊湊，能夠在入射電磁波為任意極化方式，寬角度入射范圍內(nèi)保持高負載能量收集效率，應用廣泛。
【專利說明】
基于電磁超表面互補結(jié)構的環(huán)境射頻微能量收集裝置
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于物理技術領域，更進一步涉及無線能量傳輸與收集技術領域中的一種基于電磁超表面互補結(jié)構的環(huán)境射頻微能量收集裝置。本發(fā)明可以把收集到的環(huán)境中通信的射頻微能量用于無線傳感器網(wǎng)絡的能量供給。
【背景技術】
[0002]隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的興起，具有低功耗的微型無線傳感器網(wǎng)絡得到了廣泛的發(fā)展，目前傳感網(wǎng)絡是利用電池供電，即使工作在低功耗模式下，節(jié)點的使用壽命也非常有限，定期更換數(shù)以萬計的設備電池將是難以實現(xiàn)的。環(huán)境中的電磁波能量如今可以從全球數(shù)百億個無線發(fā)射器獲得，包括移動電話、手持無線電設備、移動基站以及電視/無線廣播臺、WIFI路由器等。因此通過自適應吸收電磁環(huán)境中的能量給數(shù)以萬計的傳感器節(jié)點供電是一個有效的解決途徑。
[0003]電磁超材料(Metamaterials)指的是一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復合結(jié)構或復合材料。電磁超表面是一種二維或準二維的超材料結(jié)構，具有尺寸小，低剖面，單位面積能量吸收率高的特點。
[0004]中山大學在其申請的專利“一種基于WIFI頻段的微帶整流天線”(申請?zhí)?201510115925.5，公開號:104767029A)中提出了一種微帶接收天線。微帶接收天線是同軸饋電矩形微帶天線，能夠收集WIFI頻段的電磁波能量，該裝置仍然存在的不足之處是，微帶天線的整體尺寸相對于工作波長較大，具有固定的極化方向性，不能收集任意極化角度的電磁波能量，很難滿足高效利用環(huán)境能量的需求。
[0005]上海大學在其申請的專利“基于四重旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構的超材料電磁能量收集裝置”(申請?zhí)?201610093112.5，公開號:105552571A)中提出了一種超材料電磁能量收集裝置，該裝置由下至上包括底層金屬薄膜，中間損耗介質(zhì)層和頂層金屬薄膜，底層金屬薄膜、中間損耗介質(zhì)層和頂層金屬薄膜之間相互貼合。頂層金屬薄膜包括兩個同心金屬圓環(huán)，四個負載電阻均勻布置于兩個金屬圓環(huán)之間的間隙內(nèi)。該裝置能實現(xiàn)高效的電磁能量收集。該裝置仍然存在的不足之處是，雖然該裝置負載能量吸收率高，但是，該裝置中單元結(jié)構的負載電阻較多，收集到的能量分散到各個負載電阻上，如果組成陣列，每個負載都需要整流電路，那么負載后端的整流電路會非常復雜，能量大部分會損耗在電路中，因此在實際應用中局限性比較大。
[0006]綜上所述，目前環(huán)境射頻微能量收集面臨著兩個問題，1.現(xiàn)有的收集射頻能量信號的前端是傳統(tǒng)天線，但天線的尺寸是和波長相比擬的，會產(chǎn)生二次輻射，并有其固有的增益，極化方向，環(huán)境中的電磁波能量的大小和方向是隨機的，現(xiàn)有的無線傳感器節(jié)點分布范圍廣，分布環(huán)境復雜，傳統(tǒng)天線已經(jīng)很難滿足高效利用環(huán)境能量的需求，2.現(xiàn)有的超材料電磁能量收集裝置雖然能收集能量，但結(jié)構復雜，無法高效的利用收集到的能量。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提出一種基于電磁超表面互補結(jié)構的環(huán)境射頻微能量收集裝置，簡化了裝置的結(jié)構，收集任意極化角度的電磁波，展寬電磁波入射角，擴寬其應用領域。
[0008]實現(xiàn)本發(fā)明的具體思路是:首先確定能量收集裝置的收集頻帶，設計能量收集裝置的尺寸和位置，優(yōu)化負載電阻匹配，實現(xiàn)負載高效能量收集。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下。
[0010]本發(fā)明包括介質(zhì)基板，介質(zhì)基板背面貼合有金屬地板，介質(zhì)基板正面貼合有金屬貼片結(jié)構，金屬地板為正方形，其邊長與介質(zhì)基板表面的正方形的邊長相等。金屬貼片結(jié)構為正方形，其邊長小于介質(zhì)基板表面正方形的邊長。金屬地板、金屬貼片結(jié)構和介質(zhì)基板同軸。介質(zhì)基板為表面正方形的長方體結(jié)構，介質(zhì)基板表面的對角線上設有金屬化過孔。金屬化過孔和貼合于介質(zhì)基板正面的金屬貼片結(jié)構相接。金屬化過孔與金屬地板通過負載電阻相接。
[0011 ]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點:
[0012]第一，由于本發(fā)明通過金屬貼片結(jié)構中的環(huán)型非閉合縫隙耦合產(chǎn)生了諧振并激勵表面電流，結(jié)構本身等效成一個濾波器結(jié)構，克服了現(xiàn)有技術存在的以傳統(tǒng)天線作為環(huán)境射頻能量收集裝置時裝置尺寸過大，會產(chǎn)生二次輻射，有固定的極化和增益的問題，使得本發(fā)明具有亞波長結(jié)構，尺寸小，低剖面，不會產(chǎn)生二次輻射，省去了后端整流電路中的濾波電路，并可降低入射電磁波極化敏感性，從而使得本發(fā)明具有收集任意極化角度的電磁波，簡化了系統(tǒng)的復雜度的優(yōu)點。
[0013]第二，由于本發(fā)明通過金屬化過孔將表面電流導入到一個負載電阻上，克服了現(xiàn)有技術存在的負載電阻較多，無法高效的利用收集到的能量的問題，使得本發(fā)明在保持高效能量收集效率的同時簡化后端整流電路的復雜度，減少了損耗，提高了能量收集的效率。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的結(jié)構示意圖；
[0015]圖2為本發(fā)明在電磁波垂直入射時的橫電、橫磁極化波的能量收集效率曲線圖；
[0016]圖3為本發(fā)明在電磁波傾斜30°入射時的橫電、橫磁極化波的能量收集效率曲線圖；
[0017]圖4為本發(fā)明在電磁波傾斜45°入射時的橫電、橫磁極化波的能量收集效率曲線圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0019]參照附圖1，本發(fā)明的能量收集裝置頻帶的中心頻率為5GHz時所采用的各結(jié)構尺寸如下:
[0020]本發(fā)明包括介質(zhì)基板4，介質(zhì)基板4背面貼合有金屬地板I，介質(zhì)基板4正面貼合有金屬貼片結(jié)構2，本發(fā)明的實施例1的金屬貼片結(jié)構2的邊長L為16mm，金屬貼片結(jié)構2中的環(huán)型非閉合縫隙的形狀采用正方形，環(huán)型非閉合縫隙邊長為8mm，寬度W為0.55mm，環(huán)型非閉合縫隙開口間距g為0.57mm。
[0021]本發(fā)明的實施例1的介質(zhì)基板4為表面正方形的長方體結(jié)構，介質(zhì)基板4相對介電常數(shù)ε為2.65，介電損耗tanS為0.001，厚度t為1.5mm，尺寸為18.5 X 18.5 X 1.5mm。本發(fā)明的實施例1的介質(zhì)基板4表面的對角線上設有金屬化過孔3，金屬化過孔3距對角線中心4.5mm。
[0022]本發(fā)明的實施例1的金屬地板I為正方形，其邊長與介質(zhì)基板4表面的正方形的邊長相等。本發(fā)明的實施例1的金屬地板I的正方形表面挖去一個與金屬化過孔3同心的圓形，圓形直徑4mm。本發(fā)明的實施例1的金屬地板1、金屬貼片結(jié)構2和介質(zhì)基板4同軸。本發(fā)明的實施例1的金屬地板I和金屬貼片結(jié)構2以及金屬化過孔3的材料是金屬銀。
[0023]本發(fā)明的實施例1的金屬化過孔3和貼合于介質(zhì)基板正面的金屬貼片結(jié)構2相接。本發(fā)明的實施例1的金屬化過孔3與金屬地板I通過負載電阻5相連。本發(fā)明的實施例1的金屬化過孔3的直徑為0.5mm。本發(fā)明的實施例1的負載電阻5阻值為50 Ω。
[0024]本發(fā)明的實施例2的金屬貼片結(jié)構2中的環(huán)型非閉合縫隙的形狀采用圓形，外圈圓形直徑為9mm，內(nèi)圈圓環(huán)直徑為8.5mm，環(huán)型非閉合縫隙開口間距g為0.7mm。金屬地板I的正方形表面挖去一個與金屬化過孔3同心的圓形，圓形直徑3mm。金屬化過孔3的直徑為0.6mm。負載電阻5阻值為70 Ω。其余構成、結(jié)構、參數(shù)與實施例1中的基于電磁超表面互補結(jié)構的環(huán)境射頻微能量收集裝置一樣，各結(jié)構之間的連接關系也與實施例1中的基于電磁超表面互補結(jié)構的環(huán)境射頻微能量收集裝置一樣。
[0025]下面結(jié)合圖2、圖3、圖4對本發(fā)明實施例1的裝置結(jié)構的效果作進一步的描述。
[0026]本發(fā)明的仿真結(jié)果是通過電磁軟件AnsoftHFSS建模，在能量收集裝置頻帶4.5_
5.5GHz內(nèi)仿真得到的。
[0027]參照附圖2，對本發(fā)明在電磁波垂直入射時的橫電、橫磁極化波的兩條曲線圖進行能量收集效率的對比分析。
[0028]圖2中的橫軸表示頻率，縱軸表示負載能量收集的效率。圖2中以圓形標示的曲線代表本發(fā)明在電磁波垂直入射時的橫磁極化波的能量收集效率的仿真曲線，以三角形標示的曲線代表本發(fā)明在電磁波垂直入射時的橫電極化波的能量收集效率的仿真曲線。從本發(fā)明仿真的電磁波垂直入射時的橫電、橫磁極化波的負載能量收集的效率曲線可看出，兩條曲線基本重合，在5GHz時，負載能量收集的效率都達到90%，說明本發(fā)明對任意極化的入射電磁波都有很好的收集效果。
[0029]參照附圖3，對本發(fā)明在電磁波傾斜30°入射時的橫電、橫磁極化波的兩條曲線圖進行能量收集效率的對比分析。
[0030]圖3中的橫軸表示頻率，縱軸表示負載能量收集的效率。圖3中以圓形標示的曲線代表本發(fā)明在電磁波傾斜30°入射時的橫磁極化波的能量收集效率的仿真曲線，以三角形標示的曲線代表本發(fā)明在電磁波傾斜30°入射時的橫電極化波的能量收集效率的仿真曲線。從本發(fā)明仿真的電磁波傾斜30°入射時的橫電、橫磁極化波的負載能量收集的效率曲線可看出，兩條曲線基本重合，負載能量收集的最高效率達到90%以上，說明本發(fā)明在入射電磁波入射角為30°時，無論橫電極化或者橫磁極化，有很好的收集效果。
[0031]參照附圖4，對本發(fā)明在電磁波傾斜45°入射時的橫電、橫磁極化波的兩條曲線圖進行能量收集效率的對比分析。
[0032]圖4中的橫軸表示頻率，縱軸表示負載能量收集的效率。圖4中以圓形標示的曲線代表本發(fā)明在電磁波傾斜45°入射時的橫磁極化波的能量收集效率的仿真曲線，以三角形標示的曲線代表本發(fā)明在電磁波傾斜45°入射時的橫電極化波的能量收集效率的仿真曲線。從本發(fā)明仿真的電磁波傾斜45°入射時的橫電、橫磁極化波的負載能量收集的效率曲線可看出，兩條曲線基本重合，負載能量收集的最高效率達到88%以上，說明本發(fā)明在入射電磁波入射角為45°時，無論橫電極化或者橫磁極化，有很好的收集效果。
[OO33]從上述分析可知，本發(fā)明在能量收集裝置頻帶4.5-5.5GHz內(nèi)，無論入射電磁波是橫電極化或者橫磁極化，在入射電磁波入射角0°-45°范圍內(nèi)，本發(fā)明都可以保持最高90%以上的負載能量收集的效率。
【主權項】
1.一種基于電磁超表面互補結(jié)構的環(huán)境射頻微能量收集裝置，包括介質(zhì)基板(4)，介質(zhì)基板(4)背面貼合有金屬地板(I)，介質(zhì)基板(4)正面貼合有金屬貼片結(jié)構(2)，其特征在于，所述的金屬地板(I)為正方形，其邊長與介質(zhì)基板(4)表面的正方形的邊長相等;所述的金屬貼片結(jié)構(2)為正方形，其邊長小于介質(zhì)基板(4)表面正方形的邊長；所述的金屬地板(I)、金屬貼片結(jié)構(2)、介質(zhì)基板(4)同軸;所述的介質(zhì)基板(4)為表面正方形的長方體結(jié)構，介質(zhì)基板(4)表面的對角線上設有金屬化過孔(3);所述金屬化過孔(3)和貼合于介質(zhì)基板正面的金屬貼片結(jié)構(2)相接;所述金屬化過孔(3)與金屬地板(I)通過負載電阻(5)相接。2.根據(jù)權利要求1所述的基于電磁超表面互補結(jié)構的環(huán)境射頻微能量收集裝置，其特征在于:所述的金屬地板(I)的正方形表面挖去一個與金屬化過孔(3)同心的圓形，圓形直徑大于金屬化過孔(3)的直徑，圓形直徑為金屬化過孔(3)的直徑的2.2-8倍。3.根據(jù)權利要求1所述的基于電磁超表面互補結(jié)構的環(huán)境射頻微能量收集裝置，其特征在于:所述的金屬貼片結(jié)構(2)表面開有環(huán)型非閉合縫隙，環(huán)型非閉合縫隙的形狀為邊長大于3的偶數(shù)的正多邊形、圓形。4.根據(jù)權利要求1所述的基于電磁超表面互補結(jié)構的環(huán)境射頻微能量收集裝置，其特征在于:所述金屬化過孔(3)的直徑為0.5mm_l.1mm。5.根據(jù)權利要求1所述的基于電磁超表面互補結(jié)構的環(huán)境射頻微能量收集裝置，其特征在于:所述的介質(zhì)基板(4)的厚度為能量收集裝置頻帶對應波長的四十分之一。6.根據(jù)權利要求1所述的基于電磁超表面互補結(jié)構的環(huán)境射頻微能量收集裝置，其特征在于:所述負載電阻(5)阻值為50 Ω -5000 Ω。
【文檔編號】H01Q17/00GK106099388SQ201610470778
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】李龍, 張軒銘, 趙琦, 盧雨笑, 余世星, 劉海霞, 史琰, 翟會清
【申請人】西安電子科技大學