一种基于超表面的电磁能量收集器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于超表面的电磁能量收集器，包括上层金属层、下层金属层、金属通孔、位于上层金属层和下层金属层之间的介质层；上层金属层上包括四个相同的U形槽方形贴片，四个相同的U形槽方形贴片之间旋转对称；下层金属层上开设圆形孔，圆形孔的位置与U形槽方形贴片的中心位置重合；金属通孔设置于每个U形槽方形贴片的几何中心位置，并贯穿介质层，垂直于下层金属层；金属通孔底端和下层金属层之间连接电阻。本发明专利技术在5.8GHz具有十分好的能量吸收能力、极化不明感以及角度稳定性，且可针对复杂的电子环境，用于微波输能及环境电磁波的收集。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超表面的电磁能量收集器
本专利技术属于收集器的
，具体涉及一种基于超表面的电磁能量收集器。
技术介绍
在18世纪，NicolaTeslas成功地证明了无线电力传输(WPT,WirelessPowerTransfer)的实用性。60年后，第一个以微波状态运行的WPT系统由布朗演示。在WPT系统中，直流电源被馈送到发送电路，将其转换为交流电。然后将AC信号馈送到天线，该天线通过空间将能量传输到远程接收系统(整流天线)，该远程接收系统收集RF能量并将其转换为可用的DC功率。整流天线是用于将微波能量转换为直流电源的WPT系统的接收成分，它通常由三部分组成：天线、匹配网络以及整流电路。整流天线广泛应用于遥感、RFID标签和能量收集等领域。其中，天线起到至关重要的作用。2012年，OmarM.Ramahi等人提出在传统的开口谐振环(SRR)的开口处加载电阻来收集能量，这为利用超材料收集电磁能量提供了可能，自此展开了超表面收集电磁能量的研究。近年来，国内外学者们对基于超材料的能量收集器进行了大量研究，包括对宽带、多频、多极化、宽入射角电磁波的吸收。能量收集器是收集电磁能量，然而绝大多数能量被消耗在介质基板和金属中，不能回收再利用。中山大学申请的专利“一种基于WIFI频段的微带整流天线”(申请号：201510115925.5)，该专利公开的技术方案是采用常规微带天线作为能量收集装置，天线的结构尺寸较大，不利用系统的集成小型化。上海大学申请的专利“基于四重旋转对称结构的超材料电磁能量收集装置”(申请号：201610093112.5)，该专利公开的技术方案采用多个负载电阻的方式收集无线能量，负载电阻的个数较多，从而需要的整流电路个数多，增加了系统的设计复杂度，以及带入了较大的损耗，不利于实际应用。西安电子科技大学申请的专利“基于电磁超表面的环境射频微能量收集装置”(申请号：201610470948.2)，该专利设计的超表面电磁结构采用单层介质层，实现了结构简单紧凑，能够在入射电磁波为任意极化方式，宽角度入射范围内保持较高的能量收集效率，但是能量却并没有在电阻中消耗。电子科技大学申请的专利“基于超表面结构的无线能量收集装置”(申请号：201910021793.8)，该专利公开的技术简化了现有能量收集装置的结构，降低了能量收集装置的制作成本，同时有效提高了能量收集装置的效率；但是无法在入射电磁波为任意极化方式，宽角度入射范围内保持较高的能量收集效率。综上分析，目前空间无线能量收集面临的主要问题如下：1)常规整流天线的尺寸较大，不能满足无线能量收集装置小型化的需求；2)现有的超表面结构较复杂，能量不能引出在负载中消耗。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种基于超表面的电磁能量收集器，以解决常规整流天线的尺寸较大，不能满足无线能量收集装置小型化的需求，以及现有的超表面结构较复杂，能量不能引出在负载中消耗的问题。为达到上述目的，本专利技术采取的技术方案是：一种基于超表面的电磁能量收集器，其包括上层金属层、下层金属层、金属通孔、位于上层金属层和下层金属层之间的介质层；上层金属层印制于介质层上表面，下层金属层印制于介质层下表面；上层金属层上包括四个相同的U形槽方形贴片，四个相同的U形槽方形贴片之间旋转对称；下层金属层上开设圆形孔，圆形孔的位置与U形槽方形贴片的中心位置重合；金属通孔设置于每个所述U形槽方形贴片的几何中心位置，并贯穿介质层，垂直于下层金属层；金属通孔底端和下层金属层之间连接电阻。优选地，U形槽方形贴片通过至少90°的旋转与其相邻的U形槽方形贴片的位置重合。优选地，介质层的相对介电常数ε'为2.2，损耗角正切tanδ为0.0009。优选地，介质层的高度为1.00mm，长度为25.6mm，宽度为25.6mm。优选地，U形槽方形贴片中的方形贴片呈正方形，其边长a为12mm。优选地，相邻U形槽方形贴片之间的间隙s为0.8mm。优选地，U形槽方形贴片中的U形槽的两边和底边的长度L为6mm，宽度width为0.8mm。优选地，金属通孔的直径为0.2mm。优选地，下层金属层上的圆形孔直径为0.69mm。优选地，电阻的电阻值为50Ω。本专利技术提供的基于超表面的电磁能量收集器，具有以下有益效果：本专利技术通过金属柱将上层能量引出在电阻中消耗，并具有亚波长结构，尺寸小，低剖面，不会产生二次辐射，省去了后端整流电路中的滤波电路，并可降低入射电磁波极化敏感性，从而使得本专利技术具有收集任意极化角度的电磁波，简化了系统的复杂度。除此，本专利技术在保持高效能量收集效率的同时简化后端整流电路的复杂度，减少了损耗，提高了能量收集的效率。即有效地解决了常规整流天线的尺寸较大，不能满足无线能量收集装置小型化的需求，以及现有的超表面结构较复杂，能量不能引出在负载中消耗的问题。附图说明图1为基于超表面的电磁能量收集器的结构图。图2为基于超表面的电磁能量收集器在电磁波垂直入射时的横电、横磁极化波的负载收集能量曲线图。图3为基于超表面的电磁能量收集器在电磁波倾斜30°入射时的横电、横磁极化波的负载收集能量曲线图。图4为基于超表面的电磁能量收集器在电磁波倾斜60°入射时的横电、横磁极化波的负载收集能量曲线图。其中，1、上层金属层；2、介质层；3、下层金属层；4、金属通孔；5、电阻。具体实施方式下面对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便于本
的技术人员理解本专利技术，但应该清楚，本专利技术不限于具体实施方式的范围，对本
的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本专利技术的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本专利技术构思的专利技术创造均在保护之列。根据本申请的一个实施例，参考图1，本方案的基于超表面的电磁能量收集器，包括上层金属层1、下层金属层3、金属通孔4、位于上层金属层1和下层金属层3之间的介质层2。以下将对上述各个部件进行详细描述上层金属层1印制于介质层2上表面，下层金属层3印制于介质层2下表面，上层金属层1上包括四个相同的U形槽方形贴片，四个相同的U形槽方形贴片之间旋转对称。U形槽方形贴片中的方形贴片呈正方形，其边长a为12mm，U形槽方形贴片中的U形槽的两边和底边的长度L为6mm，宽度width为0.8mm，相邻U形槽方形贴片之间的间隙s为0.8mm。其中一个U形槽方形贴片通过至少90°的旋转与其相邻的U形槽方形贴片的位置重合。下层金属层3上开设圆形孔，圆形孔的位置与U形槽方形贴片的中心位置重合，金属通孔4的直径为0.2mm。金属通孔4设置于每个所述U形槽方形贴片的几何中心位置，并贯穿介质层2，垂直于下层金属层3，金属通孔4底端和下层金属层3之间连接电阻5。其中，介质层2的相对介电常数ε'为2.2，损耗角正切tanδ为0.0009；介本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超表面的电磁能量收集器，其特征在于：包括上层金属层、下层金属层、金属通孔、位于上层金属层和下层金属层之间的介质层；/n所述上层金属层印制于介质层上表面，下层金属层印制于介质层下表面；所述上层金属层上包括四个相同的U形槽方形贴片，四个相同的U形槽方形贴片之间旋转对称；所述下层金属层上开设圆形孔，圆形孔的位置与U形槽方形贴片的中心位置重合；所述金属通孔设置于每个所述U形槽方形贴片的几何中心位置，并贯穿介质层，垂直于下层金属层；所述金属通孔底端和下层金属层之间连接电阻。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于超表面的电磁能量收集器，其特征在于：包括上层金属层、下层金属层、金属通孔、位于上层金属层和下层金属层之间的介质层；
所述上层金属层印制于介质层上表面，下层金属层印制于介质层下表面；所述上层金属层上包括四个相同的U形槽方形贴片，四个相同的U形槽方形贴片之间旋转对称；所述下层金属层上开设圆形孔，圆形孔的位置与U形槽方形贴片的中心位置重合；所述金属通孔设置于每个所述U形槽方形贴片的几何中心位置，并贯穿介质层，垂直于下层金属层；所述金属通孔底端和下层金属层之间连接电阻。


2.根据权利要求1所述的基于超表面的电磁能量收集器，其特征在于：所述U形槽方形贴片通过至少90°的旋转与其相邻的U形槽方形贴片的位置重合。


3.根据权利要求1所述的基于超表面的电磁能量收集器，其特征在于：所述介质层的相对介电常数ε'为2.2，损耗角正切tanδ为0.0009。


4.根据权利要求1所述的基于超表面的电磁能量收集器，其特征在于：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐敏，丁帅，罗小敏，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51