基于超表面结构的无线能量收集装置

摘要

本发明公开了一种基于超表面结构的无线能量收集装置，包括超表面阵列结构与整流电路，超表面阵列结构由若干个超表面结构单元组成，超表面结构单元包括由上至下依次设置的金属层、第一介质基板、空气层、第一接地层和功率合成网络层，功率合成网络层包括由上至下依次设置的第二接地层、第二介质基板和第一信号层；整流电路设置于空气层中，电磁结构层通过设置在金属层上的金属化通孔与第一信号层相连接，功率合成网络层的输出端口与整流电路的输入端口相连接。该装置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。

权利要求

1.一种基于超表面结构的无线能量收集装置，其特征在于：包括超表面阵列结构与整流电路，所述超表面阵列结构由若干个超表面结构单元组成，所述超表面结构单元包括由上至下依次设置的金属层(1)、第一介质基板(2)、空气层(3)、第一接地层(4)和功率合成网络层，所述功率合成网络层包括由上至下依次设置的第二接地层(5)、第二介质基板(6)以及设置于第二介质基板(6)上的第一信号层(7)；

所述整流电路设置于空气层(3)中，包括由上至下依次设置的第二信号层(9)、第三介质基板(10)层以及第三接地层(11)，所述第二信号层(9)由整流二极管(12)、λ/8短路微带线(13)、λ/12开路微带线(14)、可调谐微带线(15)、隔直电容(16)、射频扼流圈(17)、滤波电容(18)与负载电阻(19)构成，λ/8短路微带线(13)与整流二极管(12)的正极串联，λ/12开路微带线(14)与整流二极管(12)的负极并联，可调谐微带线(15)与整流二极管(12)的负极串联，隔直电容(16)串联在功率合成网络的输出端口与整流二极管(12)输入端口之间，滤波电容(18)与负载电阻(19)并联，射频扼流圈(17)串联于直流通路中；

所述金属层(1)上开设有金属化通孔(8)，所述金属层通过金属化通孔(8)与所述第一信号层(7)相连接，所述功率合成网络层的输出端口与整流电路的输入端口相连接。

2.根据权利要求1所述的基于超表面结构的无线能量收集装置，其特征在于：所述金属层(1)为ELC电磁结构，采用金属铜制成。

3.根据权利要求1所述的基于超表面结构的无线能量收集装置，其特征在于：所述第二接地层(5)上开设有与金属化通孔(8)同心的圆孔，所述金属化通孔(8)的直径为0.6㎜，所述圆孔的直径为2.4㎜。

4.根据权利要求1所述的基于超表面结构的无线能量收集装置，其特征在于：所述第一介质基板(2)、第一接地层(4)以及第二介质基板(6)的长和宽尺寸均相等，且均为长、宽尺寸相等的长方体结构。

5.根据权利要求1所述的基于超表面结构的无线能量收集装置，其特征在于：所述空气层(3)的厚度为2-10㎜。

6.根据权利要求1所述的基于超表面结构的无线能量收集装置，其特征在于：所述第一接地层(4)采用金属铝制成，其厚度为2㎜。

7.根据权利要求1所述的基于超表面结构的无线能量收集装置，其特征在于：所述第二接地层(5)采用金属铜制成。

8.根据权利要求1-7任一所述的基于超表面结构的无线能量收集装置，其特征在于：所述第一介质基板(2)采用F4B基板，介电常数为2.2，正切损耗值为0.001，厚度为0.254㎜，所述第三介质基板(10)采用F4B基板，介电常数为2.2，厚度为0.5mm。

9.根据权利要求1-7任一所述的基于超表面结构的无线能量收集装置，其特征在于：所述第二介质基板(6)采用S7136基板，介电常数为3.6，正切损耗值为0.0035，厚度为0.508㎜。

10.根据权利要求1-7任一所述的基于超表面结构的无线能量收集装置，其特征在于：

功率合成网络的各个输入端口的阻抗值为100Ω，输出端口的阻抗值为50Ω。

说明书

基于超表面结构的无线能量收集装置

技术领域

[0001] 本发明属于物理技术领域，具体涉及一种基于超表面结构的无线能量收集装置。

背景技术

[0002] 电磁超材料是一种天然材料所不具备的人工合成结构。电磁超表面具有尺寸小，工作在亚波长，剖面低的特点。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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，但是该专利采用较厚的介质层，考虑制作成本，该结构的制作成本较高；而且每个超表面结构分别用一个负载电阻收集，同样需要考虑实际到整流电路，这样整流电路的结构会比较的复杂，因此该结构同样会比较的复杂，不太利用实际应用。

[0006] 综合上述分析，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，制作成本较高，不太利用实际应用。

发明内容

[0007] 本发明的目的是解决上述问题，提供一种基于超表面结构的无线能量收集装置，可以收集空间电磁能量并用于无线通信系统。该装置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。

[0008] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于超表面结构的无线能量收集装置，包括超表面阵列结构与整流电路，所述超表面阵列结构由若干个超表面结构单元组成，所述超表面结构单元包括由上至下依次设置的金属层、第一介质基板、空气层/第一接地层和功率合成网络层，所述功率合成网络层包括由上至下依次设置的第二接地层、第二介质基板以及设置于第二介质基板上的第一信号层；

[0009] 所述整流电路设置于空气层中，包括由上至下依次设置的第二信号层、第三介质基板层以及第三接地层，所述第二信号层由整流二极管、λ/8短路微带线、λ/12开路微带线、可调谐微带线、隔直电容、射频扼流圈、滤波电容与负载电阻构成，λ/8短路微带线与整流二极管的正极串联，λ/12开路微带线与整流二极管的负极并联，可调谐微带线与整流二极管的负极串联，隔直电容串联在功率合成网络的输出端口与整流二极管输入端口之间，滤波电容与负载电阻并联，射频扼流圈串联于直流通路中；

[0010] 所述金属层上开设有金属化通孔，所述金属层通过金属化通孔与所述第一信号层相连接，所述功率合成网络层的输出端口与整流电路的输入端口相连接。

[0011] 优选地，所述金属层为ELC电磁结构，采用金属铜制成。

[0012] 优选地，所述第二接地层上开设有与金属化通孔同心的圆孔，所述金属化通孔的直径为0.6㎜，所述圆孔的直径为2.4㎜。

[0013] 优选地，所述第一介质基板、空气层、第一接地层、第二接地层以及第二介质基板的长和宽尺寸均相等，且均为长、宽尺寸相等的长方体结构。

[0014] 优选地，所述空气层的厚度为2-10㎜，进一步优选6㎜。

[0015] 优选地，所述第一接地层采用金属铝制成，其厚度为2㎜。

[0016] 优选地，所述第二接地层采用金属铜制成。

[0017] 优选地，所述第一介质基板采用F4B基板，介电常数为2.2，正切损耗值为0.001，厚度为0.254㎜，所述第三介质基板采用F4B基板，介电常数为2.2，厚度为0.5mm。

[0018] 优选地，所述第二介质基板采用S7136基板，介电常数为3.6，正切损耗值为0.0035，厚度为0.508㎜。

[0019] 优选地，功率合成网络的各个输入端口的阻抗值为100Ω，输出端口的阻抗值为50Ω。

[0020] 本发明提供的基于超表面结构的无线能量收集装置具有以下有益效果：

[0021] 1、本发明采用由ELC电磁结构构成的超表面结构单元，该超表面结构工作在亚波长，具有结构尺寸小，剖面低的特点；

[0022] 2、本发明的整体尺寸可根据实际进行设计，当采用较厚的空气层，较薄结构的介质层采用时，可一定程度上大大的降低超表面阵列结构的制作成本；

[0023] 3、本发明还包括功率合成网络结构，多个超表面结构单元收集到的能量通过功率合成网络合成后输出，功率合成网络的输出功率与整流电路最大整流效率时的输入功率值一致，从而实现了高效的整流效率；

[0024] 4、本发明中的整流电路采用了主要由λ/8短路微带线和λ/12开路微带线构成的class-F-1谐波抑制网络，移除了常规整流电路的输入滤波器，极大的降低了整流电路的尺寸；class-F-1谐波抑制网络主要考虑整流电路中的二次谐波和三次谐波，简化了整流电路的设计；class-F-1谐波抑制网络对流过整流二极管的电流和整流二极管两端的电压波进行整形，降低了整流二极管自身功率损耗，提高了整流电路的转换效率。

[0025] 5、进一步的，在超表面结构单元的空气层中放置整流电路，降低了能量收集装置结构的体积，更利于能量收集装置的集成化、小型化。

附图说明

[0026] 图1为本发明超表面结构单元的结构示意图；

[0027] 图2为本发明超表面结构单元的侧视图；

[0028] 图3为本发明基于超表面结构的无线能量收集装置的整体结构图；

[0029] 图4为本发明基于超表面结构的无线能量收集装置的侧视图；

[0030] 图5为本发明整流电路的侧视图；

[0031] 图6为本发明超表面结构单元具有空气层和无空气层时本发明在电磁波垂直入射时的横电极化波的能量收集效率曲线图；

[0032] 图7为本发明超表面结构单元具有不同空气层厚度时本发明在电磁波垂直入射时横电极化波的能量收集效率曲线图；

[0033] 图8为本发明基于超表面结构的无线能量收集装置的无线能量收集效率值的仿真曲线图。

[0034] 附图标记说明：1、金属层；2、第一介质基板；3、空气层；4、第一接地板；5、第二接地层；6、第二介质基板；7、第一信号层；8、金属化通孔；9、第二信号层；10、第三介质基板；11、第三接地层；12、整流二极管；13、λ/8短路微带线；14、λ/12开路微带线；15、可调谐微带线；16、隔直电容；17、射频扼流圈；18、滤波电容；19、负载电阻。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

[0036] 如图1-5所示，本发明的一种基于超表面结构的无线能量收集装置，包括超表面阵列结构与整流电路，超表面阵列结构由若干个超表面结构单元组成。超表面结构单元由从上至下依次设置的金属层1、第一介质基板2、空气层3、第一接地层4和功率合成网络层构成，功率合成网络层包括由上至下依次设置的第二接地层5、第二介质基板6和设置于第二介质基板6上第一信号层7。第一接地层4起固定作用，用于固定位于其上下的元部件。

[0037] 整流电路设置于空气层3中，包括由上至下依次设置的第二信号层9、第三介质基板10层以及第三接地层11。第二信号层9由整流二极管12、λ/8短路微带线13、λ/12开路微带线14、可调谐微带线15、隔直电容16、射频扼流圈17、滤波电容18与负载电阻19构成，λ/8短路微带线13与整流二极管12的正极串联，λ/12开路微带线14与整流二极管12的负极并联，降低了整流电路的尺寸，可调谐微带线15与整流二极管12的负极串联，隔直电容16串联在功率合成网络的输出端口与整流二极管12输入端口之间，滤波电容18与负载电阻19并联，射频扼流圈17串联于直流通路中。

[0038] 在本实施例中，金属层1优选ELC电磁结构，采用金属铜制成。采用ELC电磁结构具有较高的能量收集效率值。在ELC电磁结构的对称中心位置处，开设有金属化通孔8。第二接地层5上开设有与金属化通孔8同心的圆孔。金属化通孔8的直径为0.6㎜，圆孔的直径为2.4㎜。电磁结构层通过金属化通孔8与第一信号层7相连接。功率合成网络层的输出端口与整流电路的输入端口相连接，根据整流电路最大效率点需要的输入功率值确定超表面阵列结构。

[0039] 第一介质基板2、空气层3、第一接地层4、第二接地层5以及第二介质基板6的长和宽尺寸均相等，且均为长、宽尺寸相等的长方体结构。本发明无线能量收集装置的中心频率为2.45GHz，超表面结构单元的尺寸为20.4mm×20.4mm。第一介质基板2采用F4B基板，介电常数为2.2，正切损耗值为0.001，厚度为0.254mm。第二介质基板6采用S7136基板，介电常数为3.6，正切损耗值为0.0035，厚度为0.508mm。第三介质基板10采用F4B基板，介电常数为2.2，厚度为0.5mm。空气层3的厚度为6mm。第一接地层4采用金属铝制成，其厚度为2㎜。第二接地层5采用金属铜制成。功率合成网络的各个输入端口的阻抗值为100Ω，输出端口的阻抗值为50Ω。

[0040] 以下结合具体实验值对本发明做进一步详细的说明，以更好的展示本发明的优点：

[0041] 本实施例采用电磁仿真软件HFSS计算分析，无线能量收集装置结构的工作频段为2GHz-3GHz。

[0042] 如图6所示，为对本发明空气层型超表面结构单元与无空气层超表面结构单元的收集效率值进行对比分析。图6中的横坐标为工作频率，纵坐标为无线能量收集的效率值。从本发明的仿真结果可以分析到，当入射电磁波为TE波垂直入射具有空气层3的超表面结构单元时，无线能量收集的效率值为98.9％；当入射电磁波为TM波垂直入射无空气层的超表面结构单元时，无线能量收集的效率值为99.1％，通过对照有空气层超表面结构单元与无空气层超表面结构单元无线能量收集的效率值，得到两种结构均能实现高的收集效率。
此处对照分析有空气层型结构与无空气层型结构，可进一步验证说明本发明设置的空气层型结构可以实现高的收集效率。

[0043] 如图7所示，对本发明不同空气层厚度的超表面结构单元的收集效率值进行对比分析。图7中的横坐标为工作频率，纵坐标为无线能量收集的效率值。从本发明的仿真结果可以分析到，不同空气层厚度(3mm，4mm，5mm与6mm)时，当入射电磁波为TE波入射超表面结构单元时，通过对照不同空气层厚度(3mm，4mm，5mm与6mm)超表面结构单元无线能量收集的效率值，得到不同空气层厚度超表面结构能量收集效率均大于97％，不同空气层厚度的超表面结构均能实现高的收集效率。

[0044] 如图8所示，对本发明超表面阵列结构的收集效率值，整流电路的整流效率以及整体结构的效率值进行分析。图8中的横坐标为工作频率，纵坐标为超表面阵列结构无线能量收集的效率值，整流电路的整流效率以及整体结构的整体整流效率。从本发明的仿真结果可以分析到，当空气层3厚度为6mm，当TE波电磁波入射超表面阵列结构时，在工作频点2.45GHz时，无线能量收集的效率值为87.8％；整流电路的整流效率为81.2％，超表面阵列结构与整流电路整体结构无线能量收集的效率值70.2％。

[0045] 实现本发明的超表面阵列结构的设计具体思路是：根据无线能量收集装置的工作频率，固定负载电阻19值(100Ω或50Ω)，然后优化设计超表面结构的尺寸，并设计功率合成网络，最后整体优化超表面结构，实现整体结构高效率能量收集。

[0046] 实现本发明的整流电路结构的设计具体思路是：根据工作频率和输入功率值，选择满足要求的整流二极管12，并分析现有整流电路的不足，提出具有结构紧凑、转换效率高的整流电路结构，然后采用辅助软件优化整流电路性能参数，最后获得满足要求的整流电路。

[0047] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。