CN105552565A - 偏振不敏感的超材料微波能量捕获器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，具有这样的特征，包括：表层金属膜，由至少一个表层金属单元均匀排列成平面阵列构成；贴片电阻，镶嵌在表层金属单元上；中间介质层，与表层金属膜相贴合；以及底层金属膜，由至少一个底层金属单元均匀排列成平面阵列构成，与表层金属膜一一对应，与中间介质层相贴合，其中，表层金属单元为正方环形结构，内环具有四个内环锯齿线，分别对称设置在内环的四条边的中心位置，底层金属膜为正方环形结构。

Description

偏振不敏感的超材料微波能量捕获器
技术领域
本发明涉及微波超材料领域，特别涉及一种基于材料的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器。
背景技术
电磁波能量捕获、收集是新兴的尖端技术，也是无线供能的一个新趋势。目前随着超低功率传感器、微型无线穿戴设备和植入式电子设备的发展，现有的电池和有源供能***的缺陷也越来越明显。通过收集环境中的电磁波如微波、射频能量供能也体现绿色环保的理念。现有的微波、射频能量收集装置大都利用传统的天线作为收集装置，而本发明利用超材料捕获电磁波能量比用传统天线收集到的能量更大、并且具有可叠加性，即每个单元收集的能量可叠加，更具有实用性。不同于先前超材料吸收器的设计，这种超材料对能量的捕获、收集是通过所负载的电阻实现而不是通过介电材料。因此，这类新型的超材料捕获、收集器可在无线充电、空间太阳能发电、射频信号收集等领域展现巨大的应用前景。
超材料是一种人工超介质复合材料，超材料吸波结构的工作频段取决于超材料结构几何尺度的大小，对于相同的形状，改变结构的几何尺度，其中心频率和工作频段都会发生改变。利用其电磁参数的可设计性和可调控性来得到更好的吸收效果。早期人们研究主要集中在左手材料上，它是一种可以人工设计、满足特定等效介电常数和磁导率要求的电磁材料。超材料可以实现常规材料所不能实现的特性，例如隐身衣、超透镜等，还可以改善现有设备的性能，在电磁隐身、通信***和成像技术等领域有着极其重要的应用。
2012年，加拿大滑铁卢大学的O.M.Ramahi等人首次提出加载集总电阻的开缝环结构超材料，并进行了数值模拟，在6GHz附近仿真得到的能量捕获效率达到50％。随后美国杜克大学A.M.Hawkes等提出的级联形式超材料捕获器，在900MHz附近能量捕获效率仿真值为65％，并进行了实验测试，其测试值达到36.8％。接着，加拿大滑铁卢大学的T.S.Almoneef提出了三维堆叠形式超材料捕获电磁波的效率理论值能接近100％。他们课题组又提出花型结构和方环结构微波超材料，并进行了实验验证，其捕获微波能量效率实验值能达到93％。随着研究的进一步深入，通过超材料微结构单元的设计，电磁波能量捕获效率得到显著的提升。尽管如此，当前设计的基于超材料的电磁波能量捕获器对电磁波的偏振敏感的。也就是说设计的超材料只对特定偏振方向的电磁波能量具有捕获能力，当入射电磁波偏振方向发生改变时，其作用就减弱或消失了。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种对电磁波偏振不敏感，效率高的超材料微波能量捕获器。
本发明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，具有这样的特征，包括：表层金属膜，由至少一个表层金属单元均匀排列成平面阵列构成；贴片电阻，镶嵌在表层金属单元上；中间介质层，与表层金属膜相贴合；以及底层金属膜，由至少一个底层金属单元均匀排列成平面阵列构成，与表层金属膜一一对应，与中间介质层相贴合，其中，表层金属单元为正方环形结构，内环具有四个内环锯齿线，分别对称设置在内环的四条边的中心位置，底层金属膜为正方环形结构。
本发明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，还具有这样的特征：其中，表层金属单元通过设置在边缘的过孔与底层金属单元固定。
本发明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，还具有这样的特征：其中，表层金属单元，边长分别为边长px和边宽py，底层金属单元，边长分别为边长px和边宽py，表层金属单元的内环边长为内环边长l，表层金属单元的内环边宽为表层内环变宽w，内环锯齿线的宽度为锯齿线宽w0，相对的两个内环锯齿线之间的宽度为缝隙宽度g，中间介质层过孔的半径为半径r0，中间介质层的厚度为介质厚度ts，底层金属单元的内环边长为底层内环边长ll，底层金属单元的内环边宽为底层内环结构边宽w1，表层金属膜的厚度为厚度tm底层金属膜的厚度为膜厚度tm。
本发明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，还具有这样的特征：其中，边长px和边宽py的范围为2mm～40mm，表层内环边长l的范围为1mm～30mm，表层内环边宽w的范围为0.4mm～8mm，锯齿线宽w0的范围为0.1mm～4mm，缝隙宽度g的范围为0.3mm～10mm，半径r0的范围为0.05mm～2mm，介质厚度ts的范围为1mm～15mm，底层内环边长ll的范围为2mm～40mm，底层内环边宽w1的范围为1mm～15mm，膜厚度tm的范围为0.01mm～0.1mm。
本发明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，还具有这样的特征：其中，中间介质层为介电材料，其相对介电常数实部的范围为1～15。
本发明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，还具有这样的特征：其中，贴片电阻的大小范围为50欧姆～3000欧姆。
本发明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，还具有这样的特征：其中，贴片电阻镶嵌在表层金属单元的开缝处。
本发明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，还具有这样的特征：其中，表层金属膜通过印刷电路板工艺覆盖于中间介质层之上。
本发明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，还具有这样的特征：其中，表层金属单元和底层金属单元为具有严格几何对称性的周期性结构。
发明作用和效果
根据本发明所涉及的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，能实现接近完美微波捕获能力的偏振不敏感的能量捕获器，能够捕获、收集周围环境中的射频波段，雷达波段的电磁能量，有望在无线电能量充电，高效无线电能传输、以及隐身等领域产生广泛的应用；设计的电磁能量捕获器将在环境科学、信息、国家安全及基础物理研究领域有着广阔的应用价值，将会带来巨大社会经济效应。
附图说明
图1是本发明在实施例中偏振不敏感的超材料微波能量捕获器的结构示意图；
图2是本发明在实施例中表层金属单元的正视图；
图3是本发明在实施例中表层金属单元的结构立体图；以及
图4是本发明在实施例中仿真实验得到的电磁波能量吸收率的曲线图。
具体实施方式
以下参照附图及实施例对本发明所涉及的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器作详细的描述。
实施例
图1是本发明在实施例中偏振不敏感的超材料微波能量捕获器的结构示意图。
图2是本发明在实施例中表层金属单元的正视图。
图3是本发明在实施例中表层金属单元的结构立体图。
如图1、图2和图3所示，偏振不敏感的超材料微波能量捕获器具有：表层金属膜1、底层金属膜2、中间介质层3和贴片电阻4。
表层金属膜1采用铜膜，由至少一个表层金属单元1-1均匀排列成平面阵列构成。本实施例中表层金属单元1-1的数量为20个。
底层金属膜2采用铜膜，由至少一个底层金属单元2-1均匀排列成平面阵列构成，与表层金属膜1一一对应。本实施例中表层金属单元1-1的数量为20个。
表层金属膜的厚度为膜厚度tm，底层金属膜的厚度为膜厚度tm。膜厚度tm的范围为0.01mm～0.1mm。
本实施例中的厚度tm为0.035mm。
表层金属单元1-1和底层金属单元2-1为具有严格几何对称性的周期性结构，如正方形，圆形，菱形，以及三角形。本实施中的表层金属单元1-1和底层金属单元2-1为正方形。
表层金属单元1-1为正方环形结构，内环具有四个呈内环锯齿线1-1-2，分别对称设置在内环的四条边的中心位置。表层金属单元1-1的边长为边长px，边宽为边宽py，表层金属单元1-1正方环形结构的内环边长为表层内环边长l，表层内环边宽为w，内环锯齿线1-1-2宽为锯齿线宽w0，缝隙宽度为缝隙宽度g，过孔半径为径r0。
边长px和边宽py的范围为2mm～40mm，表层内环边长l的范围为1mm～30mm，表层内环边宽w的范围为0.4mm～8mm，锯齿线宽w0的范围为0.1mm～4mm，缝隙宽度g的范围为0.3mm～10mm，半径r0的范围为0.05mm～2mm。
本实施例中，边长px为7mm，边宽py为7mm,表层内环边长l为4.1mm,表层内环边宽w为1.2mm,锯齿线宽w0为0.4mm，缝隙宽度g为1.6mm,半径r0为0.2mm。
底层金属单元2-1为正方环形结构。底层金属单元2-1的边长为边长px，边宽为边宽py，内环边长为底层内环边长ll，内环边宽为底层内环结构边宽w1。
边长px和边宽py的范围为2mm～40mm，底层内环边长ll的范围为2mm～40mm，底层内环边宽w1的范围为1mm～15mm。
表层金属单元1-1通过设置在边缘的过孔1-1-1与底层金属单元2-1固定。
本实施例中，边长px为边长px为7mm，边宽py为7mm,底层内环边长ll为4.1mm,底层内环边宽w1为2.5mm。
表层金属膜1印刷电路板工艺覆盖于中间介质层3之上。底层金属膜2覆盖于中间介质层3之下。
中间介质层3为介电材料，其相对介电常数实部的范围为1～15。本实施例中的中间介质层3采用低损耗罗杰斯板材RogersTMM10i(lossy)，介电常数实部为9.9，损耗角为0.002。
中间介质层3的介质厚度为介质厚度ts。介质厚度ts的范围为1mm～15mm。本实施例中的介质厚度ts为1.6mm。
贴片电阻4镶嵌在表层金属单元1-1的开缝处，贴片电阻的大小范围为50欧姆～3000欧姆。本实施例中贴片电阻的大小为300欧姆。
图4是本发明在实施例中仿真实验得到的电磁波能量吸收率的曲线图。
如图4所示，上述偏振不敏感的超材料微波能量捕获器经过时域有限差分(FDTD)算法数值模拟在垂直入射TEM波情况下，其捕获周围空间电磁能量的效率可以用吸收率频谱来表征。随频率变化的吸收率计算公式为A＝1-|S11|2-|S21|2，式中|S11|为随频率变化的反射系数幅值，|S21|为随频率变化的透射系数幅值。通过合理优化设计偏振不敏感的超材料微波能量捕获器的结构参数和材料，使其在设定的特定频率的阻抗与自由空间的阻抗相匹配(即有效介电常数与有效磁导率相等)，此时，由于空间电磁波完全进入超材料结构而几乎不被反射和透射，反射率R＝|S11|2和透射率T＝|S21|2接近于零；这样电磁能量被完全限制在该器件内部，从而实现近乎100％的完美吸收。仿真实验结果表明，该偏振不敏感的超材料微波能量捕获器吸收率在2.9GHz接近100％。另外，由于设计的超材料结构具有严格的几何对称性，因此其对电磁波是偏振不敏感的，也就是说入射的任意偏振微波都能被有效的捕获、收集，且效率接近100％。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，能实现接近完美微波捕获能力的偏振不敏感的能量捕获器，能够捕获、收集周围环境中的射频波段，雷达波段的电磁能量，有望在无线电能量充电，高效无线能量传输、以及隐身等领域产生广泛的应用；设计的电磁能量捕获器将在环境科学、信息、国家安全及基础物理研究领域有着广阔的应用价值，将会带来巨大社会经济效应。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，其特征在于，包括:
表层金属膜，由至少一个表层金属单元均匀排列成平面阵列构成；
贴片电阻，镶嵌在所述表层金属单元上；
中间介质层，与所述表层金属膜相贴合；以及
底层金属膜，由至少一个底层金属单元均匀排列成平面阵列构成，与所述表层金属膜一一对应，与所述中间介质层相贴合，
其中，所述表层金属单元为正方环形结构，内环具有四个内环锯齿线，分别对称设置在所述内环的四条边的中心位置，
所述底层金属膜为正方环形结构。
2.根据权利要求1所述的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，其特征在于：
其中，所述表层金属单元通过设置在边缘的过孔与所述底层金属单元固定。
3.根据权利要求1所述的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，其特征在于：
其中，所述表层金属单元，边长分别为边长px和边宽py
所述底层金属单元，边长分别为所述边长px和所述边宽py，
所述表层金属单元的内环边长为内环边长l，
所述表层金属单元的内环边宽为表层内环边宽w，
所述内环锯齿线的宽度为锯齿线宽w0，
所述相对的两个内环锯齿线之间的宽度为缝隙宽度g，
所述过孔的半径为半径r0，
所述中间介质层的厚度为介质厚度ts，
所述底层金属单元的内环边长为底层内环边长ll，
所述底层金属单元的内环边宽为底层内环结构边宽w1，
所述表层金属膜的厚度为膜厚度tm
所述底层金属膜的厚度为所述厚度tm。
4.根据权利要求3所述的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，其特征在于：
其中，所述边长px和所述边宽py的范围为2mm～40mm，
所述表层内环边长l的范围为1mm～30mm，
所述表层内环边宽w的范围为0.4mm～8mm，
所述锯齿线宽w0的范围为0.1mm～4mm，
所述缝隙宽度g的范围为0.3mm～10mm，
所述半径r0的范围为0.05mm～2mm，
所述介质厚度ts的范围为1mm～15mm，
所述底层内环边长ll的范围为2mm～40mm，
所述底层内环边宽w1的范围为1mm～15mm，
所述膜厚度tm的范围为0.01mm～0.1mm。
5.根据权利要求1所述的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，其特征在于：
其中，所述中间介质层为介电材料，其相对介电常数实部的范围为1～15。
6.根据权利要求1所述的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，其特征在于：
其中，所述贴片电阻的大小范围为50欧姆～3000欧姆。
7.根据权利要求1所述的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，其特征在于：
其中，所述贴片电阻镶嵌在所述表层金属单元的开缝处。
8.根据权利要求1所述的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，其特征在于：
其中，所述表层金属膜通过印刷电路板工艺覆盖于所述中间介质层之上。
9.根据权利要求1所述的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，其特征在于：
其中，所述表层金属单元和所述底层金属单元为具有严格几何对称性的周期性结构。
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