【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线能量收集，具体涉及一种双频无线能量收集整流器。
技术介绍
1、无线能量收集技术(wireless energy harvesting, weh) 有望为5g通信、智能物联网等领域带来关键性的技术革新。如今的近距离能量传输与收集已经逐渐成熟，如磁感应耦合式、磁耦合谐振式传能等技术已逐渐商业化，但面向远距离应用的微波辐射式无线供能技术尚存在技术限制。如何在满足设备硬件指标要求的情况下，尽可能高效地收发电磁波能量已经成为目前无线能量收集技术的研究课题。
2、传统无线能量传输与收集主要依托于整流天线，其系统主要由接收天线、阻抗匹配网络、功率组合网络、滤波网络组成。传统整流天线所需要的阻抗匹配网络和功率组合网络往往需要占用较大的设计面积与设计层数，造成整体器件尺寸过大、层数过多、损耗较高，不利于集成、rf-dc整流效率降低等问题。将电磁超表面(metasurface, ms)用于weh是一种全新的设计思路和理念，通过设计其表面结构或改变排列方式能够出现材料本身不具备的良好特性。基于电磁超表面的射频能量收集器近些年取得了较大的发展，但目前的射频能量收集器只能收集交流能量，并没有对收集到的能量进行整流以转化为便于使用的直流能量。而另一部分，集成整流功能的整流超表面（rectifying metasurface, rms）虽然可以将交流转化为直流，但未去除匹配电路与功率合路网络，造成器件的尺寸、层数过多，不便于器件集成，且复杂的馈线和网络使得实际系统电磁兼容问题日益突出。
技术实现思路<
1、针对实际复杂应用环境下的无线能量收集问题，本专利技术提出一种双频无线能量收集整流器，该无线能量收集整流器工作在两种常用的wi-fi频段，频段优越性好，能够将2.45ghz和5.8ghz两种频段的电磁波能量进行吸收并整流为直流能量。该无线能量收集整流器具备极化不敏感性和角度稳定性特点，在不同入射角度、不同极化方向的实际应用背景下，均可完美吸收电磁波能量，达到较高的rf-dc整流效率，满足复杂条件下的能量收集应用场景。
2、本专利技术针对复杂应用环境下无线能量收集问题所采用的技术方案为：一种双频无线能量收集整流器，包括滤波器模块、双模谐振匹配层、损耗介质层和底板金属层，所述的双模谐振匹配层和所述的底板金属层分别附着在所述的损耗介质层的正面和背面，所述的双模谐振匹配层与所述的底板金属层经涂覆有铜层的若干金属通孔电连接，所述的双模谐振匹配层包括呈周期性阵列排布的n×n个双模超表面单元，n为不小于2的整数，每个所述的双模超表面单元包括正极金属片、负极金属片和若干贴片二极管，所述的正极金属片和所述的负极金属片分别以中心对称的图案附着在所述的损耗介质层的正面，所述的正极金属片和所述的负极金属片相互隔开，所述的若干贴片二极管加载在所述的正极金属片和所述的负极金属片之间，每根所述的贴片二极管的正极和负极分别与所述的负极金属片和所述的正极金属片电连接，所述的滤波器模块设置在所述的底板金属层上，所述的滤波器模块与所述的正极金属片电连接，所述的滤波器模块用于采集直流电流和残余高频分量并通过低通滤波效应实现对高频分量的去除。
3、本专利技术双频无线能量收集整流器利用正负极金属片图案结构与贴片二极管的一体化集成技术，实现阻抗匹配电路与功率组合网络的去除，相比传统整流天线与传统超表面能量收集器，本专利技术减少了设计面积与设计层数，简化了系统。
4、本专利技术双频无线能量收集整流器通过双模超表面单元的谐振特性，利用谐振产生的高阻抗特性使得超表面阻抗同时与自由空间阻抗、二极管整流电路阻抗匹配，超表面的峰值吸收效率在两个工作中心频点分别达到97%（2.45ghz）和99%（5.8ghz），rf-dc整流效率达到67.2%（2.45ghz）和63.7%（5.8ghz），相比传统能量收集器，本专利技术双频无线能量收集整流器的能量转换效率高、应用范围广。
5、本专利技术双频无线能量收集整流器易于实现，制作成本低，可简单采用现有pcb加工工艺进行制作。通过比例缩放和适当的参数调整可实现频率调谐，较完美地移植到其它频段。
6、作为优选，所述的滤波器模块包括滤波器正极贴片、滤波器负极贴片、涂覆有铜层的滤波器通孔、贴片电容和贴片电感，所述的滤波器负极贴片与所述的底板金属层经所述的滤波器通孔电连接，所述的滤波器负极贴片经所述的贴片电容与所述的滤波器正极贴片电连接，所述的滤波器正极贴片经所述的贴片电感与所述的正极金属片电连接。
7、作为优选，所述的正极金属片为由四条第一金属臂、四条第二金属臂和一片金属连接片连接而成的“田字形”图案，所述的金属连接片位于所述的“田字形”图案的中部，所述的金属连接片整体为正方形，所述的金属连接片的四角分别与所述的四条第一金属臂的一端连接，所述的四条第一金属臂和金属连接片连接为“十字形”图案，所述的四条第一金属臂的另一端分别与所述的四条第二金属臂的内侧连接，所述的四条第二金属臂排布为“口字形”图案，所述的“十字形”图案与所述的“口字形”图案即组成所述的“田字形”图案，所述的负极金属片包括四片金属子片，所述的四片金属子片分别嵌入所述的“田字形”图案内的空白位置处，每条所述的第二金属臂的外侧连接有一条金属连接臂，位置相邻的双模超表面单元的金属连接臂连为一体，位于呈周期性阵列排布的n×n个双模超表面单元外边缘的一条金属连接臂与所述的贴片电感电连接，每片所述的金属子片的外围设有第一沟槽，所述的第一沟槽用于将每片所述的金属子片与所述的正极金属片隔开，所述的金属连接片的四侧分别设有第二沟槽，每道所述的第二沟槽为每道所述的第一沟槽在所述的金属连接片处的展宽，每道所述的第二沟槽处放置有一根所述的贴片二极管，所述的“口字形”图案的四角处分别设有第三沟槽，每道所述的第三沟槽用于隔开相邻的两条所述的第二金属臂，每个所述的双模超表面单元的外围设有用于隔开相邻的两个所述的双模超表面单元的第四沟槽。采用上述设计的每个双模超表面单元可以简单视作一个电源，所有正极金属片相当于电源的正极，所有负极金属片相当于电源的负极。
8、作为优选，每个所述的双模超表面单元的周期边长为33~35mm；每个所述的双模超表面单元中，每条所述的第一金属臂的长度l1=10~11mm、宽度w1=1.3~1.5mm，每条所述的第二金属臂的长度l2=30~32mm、宽度w2=2~3mm，所述的金属连接片的边长l3=5~6mm，每条所述的金属连接臂的长度l4=0.3~0.5mm、宽度w3=1.3~1.5mm，且w3=w1，每道所述的第二沟槽的宽度w4=1.2~1.4mm，每道所述的第一沟槽和每道所述的第三沟槽的宽度均为g=0.1~0.3mm，每道所述的第四沟槽的宽度s=0.3~0.5mm。
9、作为优选，每个所述的金属通孔和所述的滤波器通孔的直径相等，均为d=0.8~1.2mm。
10、作为优选，所述的双模谐振匹配层和所述的底板金属层的厚度相等，均为h1=0.035mm；所述的损耗介质层为rogers 4003c介质板，其本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种双频无线能量收集整流器，其特征在于，包括滤波器模块、双模谐振匹配层、损耗介质层和底板金属层，所述的双模谐振匹配层和所述的底板金属层分别附着在所述的损耗介质层的正面和背面，所述的双模谐振匹配层与所述的底板金属层经涂覆有铜层的若干金属通孔电连接，所述的双模谐振匹配层包括呈周期性阵列排布的n×n个双模超表面单元，n为不小于2的整数，每个所述的双模超表面单元包括正极金属片、负极金属片和若干贴片二极管，所述的正极金属片和所述的负极金属片分别以中心对称的图案附着在所述的损耗介质层的正面，所述的正极金属片和所述的负极金属片相互隔开，所述的若干贴片二极管加载在所述的正极金属片和所述的负极金属片之间，每根所述的贴片二极管的正极和负极分别与所述的负极金属片和所述的正极金属片电连接，所述的滤波器模块设置在所述的底板金属层上，所述的滤波器模块与所述的正极金属片电连接，所述的滤波器模块用于采集直流电流和残余高频分量并通过低通滤波效应实现对高频分量的去除。
2.根据权利要求1所述的一种双频无线能量收集整流器，其特征在于，所述的滤波器模块包括滤波器正极贴片、滤波器负极贴片、涂覆有铜层的滤波
3.根据权利要求2所述的一种双频无线能量收集整流器，其特征在于，所述的正极金属片为由四条第一金属臂、四条第二金属臂和一片金属连接片连接而成的“田字形”图案，所述的金属连接片位于所述的“田字形”图案的中部，所述的金属连接片整体为正方形，所述的金属连接片的四角分别与所述的四条第一金属臂的一端连接，所述的四条第一金属臂和金属连接片连接为“十字形”图案，所述的四条第一金属臂的另一端分别与所述的四条第二金属臂的内侧连接，所述的四条第二金属臂排布为“口字形”图案，所述的“十字形”图案与所述的“口字形”图案即组成所述的“田字形”图案，所述的负极金属片包括四片金属子片，所述的四片金属子片分别嵌入所述的“田字形”图案内的空白位置处，每条所述的第二金属臂的外侧连接有一条金属连接臂，位置相邻的双模超表面单元的金属连接臂连为一体，位于呈周期性阵列排布的n×n个双模超表面单元外边缘的一条金属连接臂与所述的贴片电感电连接，每片所述的金属子片的外围设有第一沟槽，所述的第一沟槽用于将每片所述的金属子片与所述的正极金属片隔开，所述的金属连接片的四侧分别设有第二沟槽，每道所述的第二沟槽为每道所述的第一沟槽在所述的金属连接片处的展宽，每道所述的第二沟槽处放置有一根所述的贴片二极管，所述的“口字形”图案的四角处分别设有第三沟槽，每道所述的第三沟槽用于隔开相邻的两条所述的第二金属臂，每个所述的双模超表面单元的外围设有用于隔开相邻的两个所述的双模超表面单元的第四沟槽。
4.根据权利要求3所述的一种双频无线能量收集整流器，其特征在于，每个所述的双模超表面单元的周期边长为33~35mm；每个所述的双模超表面单元中，每条所述的第一金属臂的长度L1=10~11mm、宽度W1=1.3~1.5mm，每条所述的第二金属臂的长度L2=30~32mm、宽度W2=2~3mm，所述的金属连接片的边长L3=5~6mm，每条所述的金属连接臂的长度L4=0.3~0.5mm、宽度W3=1.3~1.5mm，且W3=W1，每道所述的第二沟槽的宽度W4=1.2~1.4mm，每道所述的第一沟槽和每道所述的第三沟槽的宽度均为g=0.1~0.3mm，每道所述的第四沟槽的宽度s=0.3~0.5mm。
5.根据权利要求2所述的一种双频无线能量收集整流器，其特征在于，每个所述的金属通孔和所述的滤波器通孔的直径相等，均为D=0.8~1.2mm。
6. 根据权利要求1所述的一种双频无线能量收集整流器，其特征在于，所述的双模谐振匹配层和所述的底板金属层的厚度相等，均为H1=0.035mm；所述的损耗介质层为Rogers4003C介质板，其厚度H2=1.524mm，相对介电常数为3.38，损耗正切值为0.0027。
7.根据权利要求2所述的一种双频无线能量收集整流器，其特征在于，所述的滤波器正极贴片的长度为3~5mm、宽度为1.3~1.5mm，所述的滤波器负极贴片的长度为4.1~4.3mm、宽度为3.9~4.1mm。
8.根据权利要求7所述的一种双频无线能量收集整流器，其特征在于，每根所述的贴片二极管的型号为sms7630，所述的贴片电感的电感大小为100nH，所述的贴片电容的电容大小为100nF。
...【技术特征摘要】
1.一种双频无线能量收集整流器，其特征在于，包括滤波器模块、双模谐振匹配层、损耗介质层和底板金属层，所述的双模谐振匹配层和所述的底板金属层分别附着在所述的损耗介质层的正面和背面，所述的双模谐振匹配层与所述的底板金属层经涂覆有铜层的若干金属通孔电连接，所述的双模谐振匹配层包括呈周期性阵列排布的n×n个双模超表面单元，n为不小于2的整数，每个所述的双模超表面单元包括正极金属片、负极金属片和若干贴片二极管，所述的正极金属片和所述的负极金属片分别以中心对称的图案附着在所述的损耗介质层的正面，所述的正极金属片和所述的负极金属片相互隔开，所述的若干贴片二极管加载在所述的正极金属片和所述的负极金属片之间，每根所述的贴片二极管的正极和负极分别与所述的负极金属片和所述的正极金属片电连接，所述的滤波器模块设置在所述的底板金属层上，所述的滤波器模块与所述的正极金属片电连接，所述的滤波器模块用于采集直流电流和残余高频分量并通过低通滤波效应实现对高频分量的去除。
2.根据权利要求1所述的一种双频无线能量收集整流器，其特征在于，所述的滤波器模块包括滤波器正极贴片、滤波器负极贴片、涂覆有铜层的滤波器通孔、贴片电容和贴片电感，所述的滤波器负极贴片与所述的底板金属层经所述的滤波器通孔电连接，所述的滤波器负极贴片经所述的贴片电容与所述的滤波器正极贴片电连接，所述的滤波器正极贴片经所述的贴片电感与所述的正极金属片电连接。
3.根据权利要求2所述的一种双频无线能量收集整流器，其特征在于，所述的正极金属片为由四条第一金属臂、四条第二金属臂和一片金属连接片连接而成的“田字形”图案，所述的金属连接片位于所述的“田字形”图案的中部，所述的金属连接片整体为正方形，所述的金属连接片的四角分别与所述的四条第一金属臂的一端连接，所述的四条第一金属臂和金属连接片连接为“十字形”图案，所述的四条第一金属臂的另一端分别与所述的四条第二金属臂的内侧连接，所述的四条第二金属臂排布为“口字形”图案，所述的“十字形”图案与所述的“口字形”图案即组成所述的“田字形”图案，所述的负极金属片包括四片金属子片，所述的四片金属子片分别嵌入所述的“田字形”图案内的空白位置处，每条所述的第二金属臂的外侧连接有一条金属连接臂，位置相邻的双模超表面单元的金属连接臂连为一体，位于呈周期性阵列排布的n...
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