【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及射频能量收集领域，特别涉及一种基于超表面的频带可重构射频能量收集器单元。
技术介绍
1、近年来，5g通信、万物互联等概念的不断涌现以及电子元器件功耗的逐渐降低带动了各种低微功耗无线传感器的发展。无线传感器能够相互通信并收集不同的数据，如温度、压力、湿度等，被广泛用于各种场景。如今，大部分的传感器由电池供电，尽管微型电池研究已经取得了较大进展，但电池使用寿命有限，更换电池成本较高，废旧电池引起的环境污染也是一个不可忽视的问题。因此，人们开始探索从无线传感器周围环境中收集能量为其供电。射频能量收集技术是一种从环境中射频信号源(如wifi、蜂窝网络和广播电视系统)发出的射频辐射能量中采集能量为低微功耗传感器供电的技术，是近年来微型能量收集研究的热点。与大多数能源(如热能、机械振动能、光能)不同，射频能量在我们日常生活中无处不在，并且持续可用，不易受温度、雨雾等自然因素影响，因此，射频能量收集技术有望减轻无线传感网络中数以亿万计的微型无线传感器对电池更换或充电的需求。
2、一个典型的射频能量收集系统主要包括采集环境电磁能量的射频能量收集前端，射频能量收集前端与整流电路之间的阻抗匹配网络，整流电路，以及升压转换电路、能量存储模块等。其中，射频能量收集前端是决定射频能量收集系统性能的关键部件。由于环境中可供收集的射频能量的功率密度低，频谱分布较为分散，且环境射频能量的来波方向、极化状态不确定，因此，对于射频能量收集前端而言，要求其具备高转换效率、宽带/多频、宽入射角、极化不敏感等特性。近年来，研究人员所提出的射频能
3、此外，一些超表面射频能量收集器的设计虽然实现了多个工作频点或较宽的工作频带，但在每个单元中使用了超过一个集总端口，并未考虑后续功率合成，增加了后级电路设计和系统集成的难度和复杂性。2017年，hui-teng zhong等人在论文《widebandmetamaterial array with polarization-independent and wide incident angle forharvesting ambient electromagnetic energy and wireless power transfer》提出了一种提出了一种宽带的超表面能量收集阵列，阵列单元由一个方形闭合环和四个金属臂组成，在6.2ghz～21.4ghz频段上实现了110％的半功率带宽，然而每个单元都使用了四个集总端口，大大增加了后续系统集成的复杂性。
4、因此，亟需设计一种具有宽工作频带、单一负载端口的超表面射频能量收集单元，以尽可能覆盖更多的环境射频资源频点，提升其单位面积的射频资源利用度，增强其实用性和鲁棒性，对于推进无线传感器网络的发展具有重要的意义。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于，提供一种基于超表面的频带可重构射频能量收集器单元。本专利技术通过对不同极化方向的工作频段进行重构，使射频能量收集单元的工作频段尽可能覆盖环境射频资源频段，提升其单位面积的射频资源利用率，增强其实用性和鲁棒性，同时设计结构紧凑，满足了无线传感器网络自供电的需求。
2、本专利技术的技术方案：一种基于超表面的频带可重构射频能量收集器单元，包括第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板与第二介质基板之间具有空气层；所述第一介质基板的上表面设置有顶层金属结构；所述第二介质基板的上表面设有下层微带金属结构，第二介质基板的下表面设有底层接地金属结构；所述顶层金属结构与下层微带金属结构之间经导电金属柱结构连接；所述第二介质基板的中部还设有金属化通孔，金属化通孔贯穿所述第二介质基片和底层接地金属结构。
3、上述的基于超表面的频带可重构射频能量收集器单元，所述第一介质基片与第二介质基片均为大小相同的方形基片，且上下对齐；所述顶层金属结构与第一介质基片以及第二介质基片的中心对齐。
4、前述的基于超表面的频带可重构射频能量收集器单元，所述顶层金属结构包括四个结构相同的、且中心对称排列的人工局域表面等离激元谐振环，依次为第一谐振环、第二谐振环、第三谐振环和第四谐振环；所述人工局域表面等离激元谐振环包括外围金属环和以固定间隔周期性排布的齿状金属支节，其中周期性齿状金属支节的一端连接外围金属环，另一端的延长线指向外围金属环的圆心。
5、前述的基于超表面的频带可重构射频能量收集器单元，所述导电金属柱结构包括四个中心对称排列的竖直导电金属柱，依次为第一导电金属柱、第二导电金属柱、第三导电金属柱和第四导电金属柱；所述第一导电金属柱、第二导电金属柱、第三导电金属柱和第四导电金属柱的顶端分别对应与第一谐振环、第二谐振环、第三谐振环和第四谐振环上的一个齿状金属支节的末端相接。
6、前述的基于超表面的频带可重构射本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于超表面的频带可重构射频能量收集器单元，其特征在于：包括第一介质基板(2)和第二介质基板(5)，第一介质基板(2)与第二介质基板(5)之间具有空气层；所述第一介质基板(2)的上表面设置有顶层金属结构(1)；所述第二介质基板(5)的上表面设有下层微带金属结构(4)，第二介质基板(5)的下表面设有底层接地金属结构(7)；所述顶层金属结构(1)与下层微带金属结构(4)之间经导电金属柱结构(3)连接；所述第二介质基板(5)的中部还设有金属化通孔(6)，金属化通孔(6)贯穿所述第二介质基片(5)和底层接地金属结构(7)。
2.根据权利要求1所述的基于超表面的频带可重构射频能量收集器单元，其特征在于：所述第一介质基片(2)与第二介质基片(5)均为大小相同的方形基片，且上下对齐；所述顶层金属结构(1)与第一介质基片(2)以及第二介质基片(5)的中心对齐。
3.根据权利要求1所述的基于超表面的频带可重构射频能量收集器单元，其特征在于：所述顶层金属结构(1)包括四个结构相同的、且中心对称排列的人工局域表面等离激元谐振环，依次为第一谐振环(11)、第二谐振环(12)
4.根据权利要求3所述的基于超表面的频带可重构射频能量收集器单元，其特征在于：所述导电金属柱结构(3)包括四个中心对称排列的竖直导电金属柱，依次为第一导电金属柱(31)、第二导电金属柱(32)、第三导电金属柱(33)和第四导电金属柱(34)；所述第一导电金属柱(31)、第二导电金属柱(32)、第三导电金属柱(33)和第四导电金属柱(34)的顶端分别对应与第一谐振环(11)、第二谐振环(12)、第三谐振环(13)和第四谐振环(14)上的一个齿状金属支节的末端相接。
5.根据权利要求4所述的基于超表面的频带可重构射频能量收集器单元，其特征在于：所述下层微带金属结构(4)包含第一微带线(41)，第二微带线(42)，第三微带线(43)，第四微带线(44)，第一阻抗匹配支节(45)，第二阻抗匹配支节(46)，第三阻抗匹配支节(47)，第四阻抗匹配支节(48)；所述第一微带线(41)、第二微带线(42)、第三微带线(43)和第四微带线(44)依次首尾相接，其中第一微带线(41)、第二微带线(42)、第三微带线(43)的长度相等，线宽依次增大；所述第一阻抗匹配支节(45)、第二阻抗匹配支节(46)、第三阻抗匹配支节(47)和第四阻抗匹配支节(48)的首端分别对应与第一微带线(41)、第二微带线(42)、第三微带线(43)和第四微带线(44)的末端相接；所述第一阻抗匹配支节(45)、第二阻抗匹配支节(46)、第三阻抗匹配支节(47)和第四阻抗匹配支节(48)的末端分别与第一导电金属柱(31)，第二导电金属柱(32)，第三导电金属柱(33)和第四导电金属柱(34)的底端相接。
6.根据权利要求4所述的基于超表面的频带可重构射频能量收集器单元，其特征在于：所述金属化通孔(6)的顶端与第四微带线(44)的首端相连；所述底层金属接地层(7)上开有与金属化通孔(6)中心对齐的孔洞，该孔洞与金属化通孔(6)的底端构成无线射频能量收集端口。
7.根据权利要求1所述的基于超表面的频带可重构射频能量收集器单元，其特征在于：所述第一介质基片(2)与第二介质基片(5)均采用介电常数为4.3，损耗角正切值为0.02的FR4介质板材，其厚度h1和h3均为0.4～1.5mm；所述空气层厚度h2为5～15mm。
8.根据权利要求3所述的基于超表面的频带可重构射频能量收集器单元，其特征在于：所述第一谐振环(11)、第二谐振环(12)，第三谐振环(13)和第四谐振环(14)互不交叠；所述周期性齿状金属支节中，除与导电金属柱相接的支节外，其余支节长度相同，且各支节互不交叠。
9.根据权利要求5所述的基于超表面的频带可重构射频能量收集器单元，其特征在于：所述第一微带线(41)、第二微带线(42)和第三微带线(43)均为开口角度为270度、半径相同的圆环，圆心与第二介质基片(5)的中心对齐；所述金属化通孔(6)中心与第二介质基片(5)的中心对齐；所述第一阻抗匹配支节(45)、第二阻抗匹配支节(46)、第三阻抗匹配支节(47)和第四阻抗匹配支节(48)均由两段不同宽度的支节串接而成。
10.根据权利要求4所述的基于超表面的频带可重构射频能量收集器单元，其特征在于：所述第一导电金属柱(31)、第二导电金属柱(32)、第三...
【技术特征摘要】
1.一种基于超表面的频带可重构射频能量收集器单元，其特征在于：包括第一介质基板(2)和第二介质基板(5)，第一介质基板(2)与第二介质基板(5)之间具有空气层；所述第一介质基板(2)的上表面设置有顶层金属结构(1)；所述第二介质基板(5)的上表面设有下层微带金属结构(4)，第二介质基板(5)的下表面设有底层接地金属结构(7)；所述顶层金属结构(1)与下层微带金属结构(4)之间经导电金属柱结构(3)连接；所述第二介质基板(5)的中部还设有金属化通孔(6)，金属化通孔(6)贯穿所述第二介质基片(5)和底层接地金属结构(7)。
2.根据权利要求1所述的基于超表面的频带可重构射频能量收集器单元，其特征在于：所述第一介质基片(2)与第二介质基片(5)均为大小相同的方形基片，且上下对齐；所述顶层金属结构(1)与第一介质基片(2)以及第二介质基片(5)的中心对齐。
3.根据权利要求1所述的基于超表面的频带可重构射频能量收集器单元，其特征在于：所述顶层金属结构(1)包括四个结构相同的、且中心对称排列的人工局域表面等离激元谐振环，依次为第一谐振环(11)、第二谐振环(12)、第三谐振环(13)和第四谐振环(14)；所述人工局域表面等离激元谐振环包括外围金属环和以固定间隔周期性排布的齿状金属支节，其中周期性齿状金属支节的一端连接外围金属环，另一端的延长线指向外围金属环的圆心。
4.根据权利要求3所述的基于超表面的频带可重构射频能量收集器单元，其特征在于：所述导电金属柱结构(3)包括四个中心对称排列的竖直导电金属柱，依次为第一导电金属柱(31)、第二导电金属柱(32)、第三导电金属柱(33)和第四导电金属柱(34)；所述第一导电金属柱(31)、第二导电金属柱(32)、第三导电金属柱(33)和第四导电金属柱(34)的顶端分别对应与第一谐振环(11)、第二谐振环(12)、第三谐振环(13)和第四谐振环(14)上的一个齿状金属支节的末端相接。
5.根据权利要求4所述的基于超表面的频带可重构射频能量收集器单元，其特征在于：所述下层微带金属结构(4)包含第一微带线(41)，第二微带线(42)，第三微带线(43)，第四微带线(44)，第一阻抗匹配支节(45)，第二阻抗匹配支节(46)，第三阻抗匹配支节(47)，第四阻抗匹配支节(48)；所述第一微带线(41)、第二微带线(42)...
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