一種線極化入射電磁波的無(wú)線能量接收平板的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種線極化入射電磁波的無(wú)線能量接收平板。該無(wú)線能量接收平板由至少一個(gè)正方形陣列單元重復(fù)排列而成，第一導(dǎo)電薄層上刻蝕有正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)，其由中心為正方形貼片與連接在正方形貼片四邊的彎折線形的貼片組成，正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)的正方形貼片上均刻蝕有兩個(gè)金屬過(guò)孔，金屬過(guò)孔穿過(guò)中間各層與第三導(dǎo)電薄層上的二合一微帶線功率合成電路的輸入端連接；第三導(dǎo)電薄層上所有二合一微帶線功率合成電路的輸出端級(jí)聯(lián)組成功率合成網(wǎng)絡(luò)，將功率合成網(wǎng)絡(luò)的輸出端與高頻整流芯片的輸入端相連，由高頻整流芯片的輸出端得到直流電輸出。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)空間中任意方向線極化入射電磁波能量的有效收集和利用、成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
【專利說(shuō)明】一種線極化入射電磁波的無(wú)線能量接收平板

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無(wú)線能量接收平板，特別是一種線極化入射電磁波的無(wú)線能量接收平板。

【背景技術(shù)】
[0002]能量接收是指將外部的能量，如太陽(yáng)能、熱能、風(fēng)能等捕獲、存儲(chǔ)的過(guò)程。收集的能量能為小功率的電子產(chǎn)品的工作提供能量。相較于煤炭、石油等主要供能來(lái)源，能量接收技術(shù)是將生活中的許多廢棄能量源如周圍環(huán)境中的無(wú)線電波、風(fēng)能、熱能等加以利用，不僅十分環(huán)保而且具有可持續(xù)性。
[0003]自上世紀(jì)50年代以來(lái)，伴隨著新材料、無(wú)線電技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等各種電子產(chǎn)品極大地豐富和方便了人們的生活，各種各樣的無(wú)線電傳感設(shè)備大量出現(xiàn)，但在動(dòng)力能源方面，依然采用傳統(tǒng)的供能方式，即化學(xué)能電池提供能量，但需要經(jīng)常更換或充電。未來(lái)的應(yīng)用對(duì)電子產(chǎn)品，特別是可以隨身攜帶的無(wú)線設(shè)備在遠(yuǎn)離充電電源時(shí)的續(xù)航能力提出了更高的要求，如何延長(zhǎng)設(shè)備的工作持續(xù)時(shí)間正成為現(xiàn)在的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前許多技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出來(lái)用于克服無(wú)線設(shè)備續(xù)航時(shí)間有限的問(wèn)題。其中，作為能量接收技術(shù)的一種，電磁波能量接收技術(shù)能將周圍空氣中的電磁波(如手機(jī)基站，無(wú)線WIFI網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的電磁波)吸收并將其能量轉(zhuǎn)化為直流電能，直接實(shí)現(xiàn)對(duì)小功率電子設(shè)備的供電。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種線極化入射電磁波的無(wú)線能量接收平板，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意方向線極化電磁波的完美接收。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:
[0006]本發(fā)明的無(wú)線能量接收平板包括正方形陣列單元，正方形陣列單元從上至下依次為第一導(dǎo)電薄層、第一介質(zhì)基板層、第二導(dǎo)電薄層、第二介質(zhì)基板層和第三導(dǎo)電薄層；該無(wú)線能量接收平板由至少一個(gè)正方形陣列單元重復(fù)排列而成，第一導(dǎo)電薄層上刻蝕有正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)，正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)由中心為正方形貼片與連接在正方形貼片四邊的彎折線形的貼片組成；
[0007]正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)的正方形貼片上均刻蝕有第一金屬過(guò)孔和第二金屬過(guò)孔，第一金屬過(guò)孔和第二金屬過(guò)孔穿過(guò)中間各層與第三導(dǎo)電薄層上的二合一微帶線功率合成電路的輸入端連接；
[0008]第三導(dǎo)電薄層上所有二合一微帶線功率合成電路的輸出端級(jí)聯(lián)組成功率合成網(wǎng)絡(luò)，將功率合成網(wǎng)絡(luò)的輸出端與高頻整流芯片的輸入端相連，由高頻整流芯片的輸出端得到直流電輸出。
[0009]所述的無(wú)線能量接收平板為長(zhǎng)方形或者正方形，由正方形陣列單元沿上、下、左、右方向間隔等距延拓而成。
[0010]所述的正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)接收線極化波中的左旋圓極化分量和右旋圓極化分量，左旋圓極化分量和右旋圓極化分量分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)金屬過(guò)孔流入第三導(dǎo)電薄層。
[0011 ] 所述的無(wú)線能量接收平板接收任意方向線極化入射的電磁波。
[0012]本發(fā)明與【背景技術(shù)】相比具有的有益效果是:
[0013]I)基于電磁波完美接收原理的無(wú)線能量接收平板可以在任意方向線極化電磁波的入射條件下工作，與現(xiàn)有的線極化無(wú)線能量接收平板或者接收天線陣列相比相比不需考慮極化匹配。
[0014]2)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，厚度薄(只需4mm)，只有工作電磁波波長(zhǎng)的三十分之一，所用材料均為常見(jiàn)材料，造價(jià)低廉。
[0015]3)結(jié)構(gòu)多變，可以針對(duì)不同電磁波環(huán)境設(shè)計(jì)不同的形狀和大小，每一種形狀都可以實(shí)現(xiàn)電磁波能量的高效吸收。
[0016]4)采用功率合成網(wǎng)絡(luò)后，只需一個(gè)高頻整流芯片即可，降低成本，提高整流效率
[0017]本發(fā)明可廣泛用于當(dāng)今各種頻段的電磁波能量接收轉(zhuǎn)化研發(fā)等應(yīng)用領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是正方形陣列單元的側(cè)面示意圖。
[0019]圖2是正方形陣列單元的正面示意圖。
[0020]圖3是正方形陣列單元的反面示意圖。
[0021]圖4是本發(fā)明實(shí)施例的無(wú)線能量接收平板正面示意圖。
[0022]圖5是本發(fā)明實(shí)施例的無(wú)線能量接收平板反面示意圖。
[0023]圖中:1.第一導(dǎo)電薄層,2.第一介質(zhì)基板層,3.第二導(dǎo)電薄層,4.第二介質(zhì)基板層，5.第三導(dǎo)電薄層，6.正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)，7.第一金屬過(guò)孔，8.第二金屬過(guò)孔，
9.二合一微帶線功率合成電路，10.功率合成網(wǎng)絡(luò)，11.高頻整流芯片。

【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0025]如圖1所示，本發(fā)明包括正方形陣列單元，正方形陣列單元從上至下依次為第一導(dǎo)電薄層1、第一介質(zhì)基板層2、第二導(dǎo)電薄層3、第二介質(zhì)基板層4和第三導(dǎo)電薄層5。
[0026]如圖1、圖2所示，該無(wú)線能量接收平板由至少一個(gè)正方形陣列單元重復(fù)排列而成，第一導(dǎo)電薄層I上刻蝕有正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)6，正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)6由中心為正方形貼片與連接在正方形貼片四邊的彎折線形的貼片組成；如圖2、圖3所示，正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)6的正方形貼片上均刻蝕有第一金屬過(guò)孔7和第二金屬過(guò)孔8，第一金屬過(guò)孔7和第二金屬過(guò)孔8穿過(guò)中間各層(第一介質(zhì)基板層2、第二導(dǎo)電薄層3、第二介質(zhì)基板層4和第三導(dǎo)電薄層5)與第三導(dǎo)電薄層5上的二合一微帶線功率合成電路9的輸入端連接；第三導(dǎo)電薄層5上所有二合一微帶線功率合成電路9的輸出端級(jí)聯(lián)組成功率合成網(wǎng)絡(luò)10，將功率合成網(wǎng)絡(luò)10的輸出端與高頻整流芯片11的輸入端相連，由高頻整流芯片11的輸出端得到直流電輸出。
[0027]如圖4、圖5所示，無(wú)線能量接收平板為長(zhǎng)方形或者正方形，由正方形陣列單元沿上、下、左、右方向間隔等距延拓而成。
[0028]正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)6接收線極化波中的左旋圓極化分量和右旋圓極化分量，左旋圓極化分量和右旋圓極化分量分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)金屬過(guò)孔7、8流入第三導(dǎo)電薄層5，再通過(guò)功率合成網(wǎng)絡(luò)10進(jìn)行功率合成。
[0029]本發(fā)明的無(wú)線能量接收平板可接收任意方向線極化入射的電磁波。
[0030]本發(fā)明正方形陣列單元為次波長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu)。
[0031]本發(fā)明基于任意線極化電磁波都可以分解為一個(gè)左旋圓極化電磁波和一個(gè)右旋圓極化電磁波的原理，設(shè)計(jì)一個(gè)中間為正方形和與正方形四邊相連的彎折線組成的正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)接收線極化波中的左旋圓極化分量和右旋圓極化分量，再將左旋圓極化分量和右旋圓極化分量通過(guò)不同的金屬通孔引出進(jìn)行微波功率合成。利用電磁波在次波長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu)中同時(shí)發(fā)生電諧振和磁諧振的特性，使得其諧振時(shí)的等效電路可以實(shí)現(xiàn)與真空環(huán)境的完美匹配，從而實(shí)現(xiàn)電磁波能量的完美接收。將很多個(gè)正方形陣列單元周期排列，組成大面積的電磁波能量接收表面，再通過(guò)二合一微帶線功率合成電路級(jí)聯(lián)組成功率合成網(wǎng)絡(luò)，將合成后的電磁波能量經(jīng)過(guò)高頻整流電路后轉(zhuǎn)化成直流能量輸出。
[0032]本發(fā)明實(shí)例示意如圖1、圖2、圖3所示，當(dāng)空氣中的線極化電磁波輻射到正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)6時(shí)，線極化電磁波中的左旋圓極化電磁波分量在次波長(zhǎng)正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)6中同時(shí)激勵(lì)起電諧振和磁諧振，實(shí)現(xiàn)次波長(zhǎng)正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)6的等效電路與真空環(huán)境的完美匹配，左旋圓極化電磁波分量被吸收進(jìn)來(lái)并通過(guò)金屬通孔7傳遞。同理線極化電磁波中的右旋圓極化電磁波分量在次波長(zhǎng)正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)6中同時(shí)激勵(lì)起電諧振和磁諧振，實(shí)現(xiàn)次波長(zhǎng)正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)6的等效電路與真空環(huán)境的完美匹配，右旋圓極化電磁波分量被吸收進(jìn)來(lái)并通過(guò)金屬通孔8傳遞。兩個(gè)金屬過(guò)孔7、8與位于第三導(dǎo)電薄層5上的二合一微帶線功率合成電路9的輸入端相連，進(jìn)行左旋圓極化電磁波分量和右旋圓極化電磁波分量的功率合成。
[0033]本發(fā)明能電磁波完美接收的原理如下:當(dāng)電磁波能量完美接收的柔性材料工作時(shí)，入射到次波長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu)單元上的電磁波會(huì)在第一導(dǎo)電薄層與第二層導(dǎo)電薄層的聯(lián)合作用下產(chǎn)生電諧振和磁諧振，形成所需的等效電路結(jié)構(gòu)。由于該次波長(zhǎng)諧振單元的尺寸不到工作波長(zhǎng)的1/4，使得該金屬單元結(jié)構(gòu)可以等效為均勻介質(zhì)。其等效的相對(duì)介電常數(shù)ε (ω)和相對(duì)磁導(dǎo)率μ (ω)可以表示為:
[0034]ε (ω) = εε 2(ω)和 μ (ω) = μ1(ω)+?μ2(ω)
[0035]其中，ω為角頻率，ε ^ω)為該等效介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部，ε2(ω)為該等效介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)的虛部(虛部越大表示介質(zhì)吸波效率越高)。同理U1(Q)為該等效介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部，μ 2(ω)為該等效介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)的虛部(虛部越大表示介質(zhì)吸波效率越高。)。適當(dāng)改變正方形雙極化結(jié)構(gòu)的尺寸大小、開槽縫隙的寬度，可以使得該介質(zhì)的介質(zhì)滿足:
[0036]ε (ω) == μ (ω) = μ1(ω)+?μ2(ω)
[0037]即相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部與相對(duì)磁導(dǎo)率相等，這樣就實(shí)現(xiàn)了與空氣的阻抗完全匹配，形成完美匹配零反射。而同時(shí)由于高頻濾波芯片的存在，會(huì)將絕大部分交流信號(hào)吸收，轉(zhuǎn)化成零頻直流信號(hào)，即此時(shí)該等效介質(zhì)的虛部即ε2(ω)和μ2(ω)會(huì)很大，表明極高的微波能量吸收效率。每一個(gè)單元都能獨(dú)自組成一個(gè)直流供電源。將很多個(gè)單元周期排列，并且將每個(gè)單元輸出端的正負(fù)極通過(guò)并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接即可實(shí)現(xiàn)高電流直流供電源，這樣就將電磁波交流信號(hào)能量轉(zhuǎn)化成直流電源。
[0038]本發(fā)明的實(shí)施例如下:
[0039]每個(gè)正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)6的長(zhǎng)度和寬度均為20mm，共有五層材料組成。從上至下依次主要包括第一導(dǎo)電薄層1、第一介質(zhì)基板層2、第二導(dǎo)電薄層3、第二介質(zhì)基板層4和第三導(dǎo)電薄層5 ;第一、第二、第三導(dǎo)電薄層的厚度均為0.035mm,第一介質(zhì)基板層的厚度為1.9mm，相對(duì)介電常數(shù)為4.3，相對(duì)磁導(dǎo)率為I，第二介質(zhì)基板層的厚度為2mm，相對(duì)介電常數(shù)為4.3，相對(duì)磁導(dǎo)率為I。
[0040]本實(shí)例的正反面效果圖分別如圖4、圖5所不,金屬過(guò)孔7、8與位于第三導(dǎo)電薄層5上的二合一微帶線功率合成電路9的輸入端相連，進(jìn)行左旋圓極化電磁波分量和右旋圓極化電磁波分量的功率合成。再與相鄰的二合一微帶線功率合成電路9級(jí)聯(lián)組成功率合成網(wǎng)絡(luò)10，將功率合成網(wǎng)絡(luò)10的輸出端與高頻整流芯片11的輸入端相連，在高頻整流芯片11的輸出端得到直流電輸出。高頻整流芯片13為安華高公司的hsms系列，例如2820的型號(hào)，但不限于此。
[0041]本發(fā)明介紹的結(jié)構(gòu)工作頻率為2.45GHz,即工作波長(zhǎng)為122mm，而本材料的厚度僅為4_，即僅相當(dāng)于工作波長(zhǎng)的三十分之一的厚度，經(jīng)微波仿真實(shí)驗(yàn)得到電磁波的接收效率為99.92 %，可以說(shuō)是完美電磁波能量接收材料。
[0042]本發(fā)明的工作頻率為2.45GHz，如果要工作在其他頻率，需要根據(jù)工作波長(zhǎng)比例調(diào)整次波長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu)單元的尺寸。
[0043]以上所述，僅是本發(fā)明的在2.45GHz特定頻率的較佳實(shí)例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限定。而且本方法還可以用于接收天線陣列的設(shè)計(jì)。任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或修飾為等同變化的等效實(shí)例，但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)例所作的任何的簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種線極化入射電磁波的無(wú)線能量接收平板，該無(wú)線能量接收平板包括正方形陣列單元，正方形陣列單元從上至下依次為第一導(dǎo)電薄層(I)、第一介質(zhì)基板層(2)、第二導(dǎo)電薄層(3)、第二介質(zhì)基板層(4)和第三導(dǎo)電薄層(5);其特征在于: 該無(wú)線能量接收平板由至少一個(gè)正方形陣列單元重復(fù)排列而成，第一導(dǎo)電薄層(I)上刻蝕有正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)(6),正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)(6)由中心為正方形貼片與連接在正方形貼片四邊的彎折線形的貼片組成；正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)(6)的正方形貼片上均刻蝕有第一金屬過(guò)孔(7)和第二金屬過(guò)孔(8)，第一金屬過(guò)孔(7)和第二金屬過(guò)孔(8)穿過(guò)中間各層與第三導(dǎo)電薄層(5)上的二合一微帶線功率合成電路(9)的輸入端連接；第三導(dǎo)電薄層(5)上所有二合一微帶線功率合成電路(9)的輸出端級(jí)聯(lián)組成功率合成網(wǎng)絡(luò)(10)，將功率合成網(wǎng)絡(luò)(10)的輸出端與高頻整流芯片(11)的輸入端相連，由高頻整流芯片(11)的輸出端得到直流電輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種線極化入射電磁波的無(wú)線能量接收平板，其特征在于:所述的無(wú)線能量接收平板為長(zhǎng)方形或者正方形，由正方形陣列單元沿上、下、左、右方向間隔等距延拓而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種線極化入射電磁波的無(wú)線能量接收平板，其特征在于:所述的正方形雙圓極化諧振結(jié)構(gòu)(6)接收線極化波中的左旋圓極化分量和右旋圓極化分量，左旋圓極化分量和右旋圓極化分量分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)金屬過(guò)孔(9、10)流入第三導(dǎo)電薄層(5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種線極化入射電磁波的無(wú)線能量接收平板，其特征在于:所述的無(wú)線能量接收平板接收任意方向線極化入射的電磁波。
【文檔編號(hào)】H02J17/00GK104167827SQ201410321071
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月7日
【發(fā)明者】王嶸, 葉德信, 冉立新 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)