一种基于双模谐振器的宽频能量收集整流超表面
1.本发明属于能量收集技术领域，具体是涉及一种基于双模谐振器的宽频能量收集整流超表面。
背景技术：
2.利用环境能量收集技术，设备能捕获环境中的微弱能量，例如电磁，太阳能，振动等，并将能量提供给低功耗的物联网传感器，提高设备的可维护性。在射频能量收集系统中，一般使用传统的整流天线捕获电磁能量并将其转化为直流能量，但由于引入了阻抗匹配网络和功率合成网络，会带来额外的损耗和增加结构复杂度。超表面由一些规则或不规则排列的电磁单元组成，具有成本低、结构简单、设计原理灵活等优点，能够高效接收入射波中的能量。近年来，整流超表面被应用于电磁射频能量收集和无线能量传输，可取代传统的整流天线。目前所提出的整流超表面大都只在单一频点或多个窄带频点处接收电磁能量，由于民用通信中使用的微波频段多而零散，设计宽频能量收集表面应用范围更广，同时能避免制造时轻微的频率偏移造成的性能恶化。因此，研究宽频的整流超表面，具有重大现实意义和广阔的应用前景。
3.整流超表面提出已久。文献(rectifying metasurface with high efficiency at low power for 2.45ghz band,ieee antennas wireless propag.lett.,vol.19,no.12,pp.2216
–
2220,dec.2020.)采用了电感式-电容式谐振单元，通过在单元的一侧添加过孔，将射频能量引入额外放置整流电路的层，在2.45ghz频率处具有较高的系统效率。但是其有两层介电基板，同时包含了阻抗匹配网络，直流能量需要被功率合成网络合并后才能加载到负载上，结构相对复杂。
4.文献(compact dual-band,wide-angle,polarization-angle-independent rectifying metasurface for ambient energy harvesting and wireless power transfer,ieee trans.microw.theory tech.,vol.69,no.3,pp.1518
–
1528,mar.2021.)采用了单平面紧凑型光子带隙单元结构，在两个单元之间放置了整流二极管，简化了结构，同时将能量接收频率扩展到了2.4ghz和5.8ghz，但由于多频带阻抗匹配是设计的难点，其系统效率相对不高。
技术实现要素：
5.本发明要解决的技术问题是提供一种基于双模谐振器的宽频能量收集整流超表面，结构简单，实现宽频能量收集，吸收效率较高。
6.本发明的内容包括一种基于双模谐振器的宽频能量收集整流超表面，由基本单元周期性排列构成，基本单元包括依次层叠设置的蚀刻有图案的顶部金属层、介质层和底部金属层，基本单元之间通过金属线和贴片电感连接；
7.所述顶部金属层包括矩形贴片以及设置在矩形贴片四个角上的金属臂，所述顶部金属层上开设有将金属臂两两连接的十字槽，十字槽的连接点位置通过金属块连接，十字
槽的臂上设置有二极管。
8.在一个实施例中，所述十字槽上设置有方形槽，二极管设置在方形槽内。
9.在一个实施例中，所述二极管的数量为2个，分别位于十字槽的处于对角的臂上。
10.在一个实施例中，金属线位于矩形贴片的侧边。
11.在一个实施例中，所述金属线为4个，分别位于矩形贴片的4个侧边。
12.在一个实施例中，所述贴片电感的数量为2个，分别位于矩形贴片的2个对称的侧边上。
13.在一个实施例中，所述介质层上设置有过孔，过孔内安装有导线，用于连接所述顶部金属层与底部金属层。
14.在一个实施例中，所述过孔的数量为2个。
15.在一个实施例中，所述贴片电感的数量为2个，分别位于矩形贴片的2个对称的侧边上；两个过孔位于2个贴片电感连线的两侧。
16.在一个实施例中，所述金属臂的末端呈尖型。
17.本发明的有益效果是，
18.1、与已有整流超表面相比较，本发明采用了一种用于消除功率合成网络的直流馈电结构，可以解决现有整流超表面结构复杂的问题和系统效率较低的问题。
19.2、与已有单频整流超表面相比较，本发明采用金属贴片加载金属臂的超表面谐振单元，通过十字槽和自身图案产生了两种谐振模式，同时使两个谐振点靠近并合并，实现了宽频能量收集。
20.3、与已有整流超表面相比较，本发明仅利用能产生高阻抗模式的超表面，让其与整流电路直接进行阻抗匹配，简化了结构，消除阻抗匹配网络的同时难以实现高效率的问题。
21.4、本发明设计的整流超表面仅使用一种类型的双模超表面谐振器单元实现宽频特性，同时成本低廉，易于集成。
附图说明
22.图1为本技术实施例的俯视结构示意图。
23.图2为本技术实施例的基本单元的结构示意图。
24.图3为本技术实施例的基本单元的侧视结构示意图。
25.图4为本技术实施例的整流超表面单元的反射系数和吸收率。
26.图5为本技术实施例的整流超表面整体系统效率。
27.图6本技术实施例的样品照片。
28.图7为本技术实施例的宽频整流超表面的实验结果：反射系数和吸收率。
29.图8为本技术实施例的宽频整流超表面的实验结果：整体系统效率。
30.在图中，1贴片电感、2金属臂、3矩形贴片、4过孔位置、5方形槽、6金属线、7二极管、8金属块、9十字槽、10底部金属层、11介质层、12过孔、13顶部金属层。
具体实施方式
31.实施例1
32.如图1-3、6所示，一种基于双模谐振器的宽频能量收集整流超表面，由基本单元周期性排列构成，基本单元包括依次层叠设置的蚀刻有图案的顶部金属层13、介质层11和底部金属层10，基本单元之间通过金属线6和贴片电感1连接；
33.基本单元的边长为16mm，矩形贴片位于基本单元的中心，所述顶部金属层13包括边长为10mm的矩形贴片3以及设置在矩形贴片3四个角上的金属臂2，其距离基本单元边缘0.8mm，所述顶部金属层13上开设有将金属臂2两两连接的间距为0.2mm的十字槽9，十字槽9的连接点位置通过金属块8连接，其宽度为0.8mm，十字槽9的臂上设置尺寸为1.2
×
1.3mm2的槽5，其中放置有二极管7。
34.如图1、6所示，基本单元的数量为6
×
6个，整流超表面的总尺寸为96
×
105
×
33mm3，顶部金属层13采用厚度为0.035mm厚的金属铜，介质层11采用f4b介质基板，其相对介电常数为2.2，厚度为3mm，损耗角正切值为0.001。底部金属层10为厚度为0.035mm的金属铜。
35.基本单元周期性排列成矩形，在一个方向上，比如图1、6的纵向，每个基本单元通过金属线6和贴片电感1彼此串联连接；在另一个方向，比如图1、6的横向，每个金属线6和贴片电感1彼此并联连接。
36.顶部金属层13并没有铺满介质层11的整个表面，基本单元为正方形，矩形贴片为正方形，金属臂2以矩形贴片的对角线为中心轴向外延伸，金属臂2的末端呈尖型，中心轴线向外凸起。尖型的顶点在矩形贴片3的对角线上，尖型的顶点和金属臂2的2条边缘线的端点之间的连线的夹角为90度，即尖型的顶点和金属臂2的边缘线的端点之间的连线平行于基本单元的边缘线，也平行于矩形贴片3的边。
37.十字槽9将金属臂2两两连接，在具体实现时，十字槽9均位于矩形贴片的对角线上，在对角线的连接点，即矩形贴片的中心位置不开槽，留出一个矩形金属块，即金属块8。
38.所述十字槽9上设置有方形槽5，二极管7设置在方形槽5内。所述二极管7的数量为2个，分别位于十字槽9的处于对角的臂上。金属线8位于矩形贴片的侧边。所述金属线6为4个，分别位于矩形贴片的4个侧边。所述贴片电感1的数量为2个，分别位于矩形贴片的2个对称的侧边上。
39.所述介质层11上设置有过孔12，直径为0.3mm，距离基本单元边缘5mm，过孔12内安装有导线，用于连接所述顶部金属层13与底部金属层10。所述过孔12的数量为2个。所述贴片电感1的数量为2个，分别位于矩形贴片的2个对称的侧边上；两个过孔12位于2个贴片电感1连线的两侧。
40.在宽频整流超表面单元中，二极管7并联于矩形贴片之间的缝隙中，由于二极管7两端存在电位差，形成了等效于class-f结构的整流电路，射频交流能量在此处被转化为脉动的直流能量。超表面阻抗被调谐为与整流二极管阻抗相共轭的阻抗，可直接将两者进行阻抗匹配，不引入额外的匹配网络。对于列方向上的超表面单元，它们之间由贴片电感1连接，直流功率能从单元表面中被直接引出，消除了功率合成网络。
41.该宽频整流超表面引入了两个谐振模式，其反射系数如图4所示，两个谐振模式的中心频点分别为5.65ghz和6.2ghz，同时使两个谐振点靠近并合并，实现了宽频能量收集。在整个通带内，超表面的吸收效率超过90％。系统效率峰值位于6.05ghz处，如图5所示。
42.实验结果如图7所示，整流超表面实测覆盖频段为5.32-6.66ghz，带宽22.37％。系
统效率如图8所示，系统能以74.5％的最大效率捕获入射能量。测量结果证明了所提出的整流超表面能在较宽的频段内高效地捕获环境中的电磁能量，并传递到负载中。
43.所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本技术的保护范围限于这些例子；在本技术的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本技术中一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
44.本技术中一个或多个实施例旨在涵盖落入本技术的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本技术中一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。
技术特征：
1.一种基于双模谐振器的宽频能量收集整流超表面，其特征是，由基本单元周期性排列构成，基本单元包括依次层叠设置的蚀刻有图案的顶部金属层(13)、介质层(11)和底部金属层(10)，基本单元之间通过金属线(6)和贴片电感(1)连接；所述顶部金属层(13)包括矩形贴片(3)以及设置在矩形贴片(3)四个角上的金属臂(2)，所述顶部金属层(13)上开设有将金属臂(2)两两连接的十字槽(9)，十字槽(9)的连接点位置通过金属块(8)连接，十字槽(9)的臂上设置有二极管(7)。2.如权利要求1所述的基于双模谐振器的宽频能量收集整流超表面，其特征是，所述十字槽(9)上设置有方形槽(5)，二极管(7)设置在方形槽(5)内。3.如权利要求1所述的基于双模谐振器的宽频能量收集整流超表面，其特征是，所述二极管(7)的数量为2个，分别位于十字槽(9)的处于对角的臂上。4.如权利要求1所述的基于双模谐振器的宽频能量收集整流超表面，其特征是，金属线(6)位于矩形贴片(3)的侧边。5.如权利要求4所述的基于双模谐振器的宽频能量收集整流超表面，其特征是，所述金属线(6)为4个，分别位于矩形贴片(3)的4个侧边。6.如权利要求5所述的基于双模谐振器的宽频能量收集整流超表面，其特征是，所述贴片电感(1)的数量为2个，分别位于矩形贴片(3)的2个对称的侧边上。7.如权利要求1-6任一项所述的基于双模谐振器的宽频能量收集整流超表面，其特征是，所述介质层(11)上设置有过孔(12)，过孔(12)内安装有导线，用于连接所述顶部金属层(13)与底部金属层(10)。8.如权利要求7所述的基于双模谐振器的宽频能量收集整流超表面，其特征是，所述过孔(12)的数量为2个。9.如权利要求8所述的基于双模谐振器的宽频能量收集整流超表面，其特征是，所述贴片电感(1)的数量为2个，分别位于矩形贴片(3)的2个对称的侧边上；两个过孔(12)位于2个贴片电感(1)连线的两侧。10.如权利要求1-6任一项所述的基于双模谐振器的宽频能量收集整流超表面，其特征是，所述金属臂(2)的末端呈尖型。
技术总结
本发明属于能量收集技术领域，具体是涉及一种基于双模谐振器的宽频能量收集整流超表面，由基本单元周期性排列构成，基本单元包括依次层叠设置的蚀刻有图案的顶部金属层、介质层和底部金属层，基本单元之间通过金属线和贴片电感连接；所述顶部金属层包括矩形贴片以及设置在矩形贴片四个角上的金属臂，所述顶部金属层上开设有将金属臂两两连接的十字槽，十字槽的连接点位置通过金属块连接，十字槽的臂上设置有二极管；本申请结构简单，实现宽频能量收集，吸收效率较高。吸收效率较高。吸收效率较高。
