基于宽频带吸波器的电磁能量收集、存储和供电装置的制作方法

本发明属于无线通信技术与再生能源收集技术交叉领域，涉及一种电磁能量收集、存储和供电装置(器)，尤其涉及从无线电广播频段到毫米波频段的能量收集、存储和供电装置(器)。

背景技术：

能源问题已经成为了制约世界经济发展的关键问题之一。解决能源问题的根本办法是开发利用环保型的新型可再生能源。目前已开发商用的可再生能源有太阳能、振动能、风能、温差热能等，但这些能源往往各有优缺点，有的受到气候等自然条件限制而无法持续稳定地供能。譬如，太阳能光伏设备的使用与自然环境相关，在雨季就不能采集太阳光能量。而空间中无线电波传播时所携带的电磁能量，来自于空间环境中的移动通信基站、广播电视塔、各种无线通讯设备等，能够全天候辐射电磁能量。并且，在当今信息社会，人们的信息活动使我们周围空间存在着大量无线电波，工业和人类生活中无线通信设备的使用数量急剧增加，地球上空间中各个频段的无线电波越来越丰富，全世界的人们都处于具有不同频率和不同功率的丰富的电磁能量包围之中。因此，无线电磁能源有丰满的空间分布性和稳定的持续来源，几乎不受自然环境影响，是一种低碳清洁可回收利用能源。所以，无线电磁能收集技术的突破和商业应用在对人类持续发展有重大战略意义的“新能源的开发技术”中已成为可再生能源技术的研究热点之一。

电磁能量收集已形成为通信技术和能源技术两个不同领域的交叉理论课题，自然界中存在着丰富的电磁能量，移动通信基站、广播电台、电视信号发射台，卫星通信、以及大气层雷电、太阳黑子爆发、地球磁场波动等产生的电磁波辐射，这些电磁波能量或被浪费或对环境造成污染，电磁能量收集技术就是对无线电辐射能量吸收再利用，对空间中分布着的电磁能量进行吸收和储电。

经过检索发现，现有专利文献中已有不少专利涉及电磁能量收集。其中，大部分专利描述的装置、系统、设备都是用了传统的天线作为电磁能量收集器。根据理论，传统天线对照射在其上的电磁能量接收效率最大为50％，剩余的50％都被导体天线散射和反射回去。近年来，科学界发现了“完美吸波器”，这种器件是通过导体-介质-导体的结构设计来实现吸波效应的，最大吸收效率超过90％，也就是几乎无回波的黑体，可以实现最大限度的吸收和最小限度的反射与散射。但现阶段这种导体-介质-导体的结构设计存在的主要问题是仅在窄频带的吸收方面有较满意的吸收效率，对于宽频带的吸收效果尚不理想。

技术实现要素：

本发明目的在于针对上述对于宽频带的吸收效果不佳的问题，通过采用设计的宽频带吸波结构，实现更多电磁波能量收集，进而提供一种空间电磁能量收集、存储和供电装置(器)，以补充传统的太阳能电池供电器和火力水利发电电源。

为实现上述目的，本发明提出的技术方案为基于宽频带吸波器的电磁能量收集、存储和供电装置，包括电磁能量接收和馈电网络模块、电路阻抗匹配及滤波模块、整流模块，自功率DC-DC升压模块和能量存储模块，电磁能量接收和馈电网络模块的输出端连接电路阻抗匹配及滤波模块的输入端，阻抗匹配及滤波模块的输出端连接整流模块的输入端，整流模块的输出端连接自功率DC-DC升压模块，升压模块的输出端连接能量存储模块的电源输入端，所述电磁能量接收和馈电网络模块包含宽频带吸波器。

进一步，上述宽频带吸波器采用“金属贴片层-介质层-金属底层-介质层-馈电层”结构，通过改变最上层金属贴片的几何形状，使其自身形成多峰谐振的特性，实现宽带吸收。

作为优选，上述金属贴片的几何形状可以是E形或扇形。

对E形金属贴片，通过调节三个条带的位置、宽度和长度，可以调节吸波频率的谐振点，形成多谐振频点进行吸波，从而展宽吸波带宽。

对扇形金属贴片，通过调节扇形的园半径、园弧对应的角度、和扇形面积形状，可以调节吸波频率的谐振点，形成多谐振频点进行吸波，从而展宽吸波带宽。

上述扇形金属贴片的平面结构为电风扇的叶子形状，单元可以为二叶、三叶、四叶和多叶形状。

上述金属贴片的单元排列成阵列。

作为优选，上述单元与单元之间距离为半个波长左右。

可以通过调节单元间距、金属贴片层与金属底层单元之间的介质层的厚度和介电常数来调节电磁波吸收效率。

E形和扇形金属贴片是通过刻蚀形成在介质层上表面，每个金属贴片单元通过采用耦合馈电技术引出电流的微带馈电线连接到馈电网络模块的功率合成电路，每个金属贴片单元的馈电线都要进行阻抗匹配；将功率合成电路的输出端与整流模块的输入端相连，由整流模块的输出端得到直流电输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1，通过高吸收效率宽频带电磁能量接收器接收到的空间电磁波转换来的电能经过整流、滤波将交流电能转换为直流电能，然后将电能存储在储能器(超级电容)中，当需要用电时通过能量管理模块控制供电，提供了一种可长久工作的无源储能装置，替代了传统的电池、锂电池，不再污染环境、威胁人体健康。

2，相对现有的无源产品-太阳能光伏器件，在天气不佳的情况下依然能稳定可靠工作，本发明依靠收集环境中存在的射频-太赫兹频段的电磁波获得电能，不间断提供电能，而且不需要人进行日常管理和维护，其经济和社会效益是显而易见的。

附图说明

图1是本发明的系统框图。

图2是宽频带电磁波能量收集器结构图。

图3是吸波器电流输出馈电网络结构图。

图4是整流模块电路图。

图5是自功率DC-DC升压电路模块图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括电磁波能量接收模块(1)、电路阻抗匹配、滤波(2)和整流模块(3)，自功率DC-DC升压电路模块(4)和能量存储模块(5)。

图2所述的宽频带吸波器采用“金属贴片层-介质层-金属底层-介质层-馈电层”结构，通过改变最上层金属贴片的几何形状，使其自身形成多峰谐振的特性，从而实现宽带吸收。本发明所述的二种结构，E形和扇形比传统的十字形和园环形带宽要提高60％以上。多个单元排列成阵列，单元与单元之间距离为半个波长左右，既吸波器几何结构周期，周期尺寸与介质有关，需仔细设计调谐。这个阵列除了增加了接收面积外，实际上是利用周期结构对照射在其上的电磁波的反射进行干涉相消的原理来提高接收电磁波效率的。

吸波器吸收的电磁能量通过馈电网络引出，方法是用微带天线耦合馈电技术实现的，如图3所示，结构共有五层，最上面一层是金属贴片吸波单元1，第二层是介质2，第三层是金属接地板3，第四层是介质4，第五层是微带馈电线5，其中金属接地板在每个吸波单元下方刻了一个槽6，用于把贴片单元上的电流引起的感应场通过该槽把电磁能量耦合到最下层的馈电线上。每条馈电微带线串联多个贴片单元，把电流引出。

微带馈电线跟整流滤波电路进行阻抗匹配，把高频交流信号输入到整流模块，如图4所示，整流模块包括多个整流器，整流器主要元件是肖特基二极管，每个整流器被配置成并操作为接收交流电信号，生成相应的直流电功率；

整流模块输出的电流输入到低功率直流-直流(DC-DC)升压电路，升压电路的主要功能是将弱电流变换成高电压输出，使其可以转化为可利用的直流电能。本发明采用DC-DC自谐振变压器的LTC3108型电源管理技术，在输入电压为10mV-30mV时，输出电压恒定为1.0V-3.3V。

如图5所示，直流-直流(DC-DC)升压电路输出的直流电压加在超级电容上将电能存储起来。超级电容是一种电化学电容，此电容具有寿命长、充电快、充电模式多样、起始工作电压较低等特点。它主要采用导电聚合物、金属氧化物、碳电极材料等材料制成。超级电容可以将低压差的电能存储起来。本发明使用截止电压为2.0V的超级电容，容量选择为1F。

本发明采用了新型基于人工电磁材料结构的“完美”电磁吸波器，提高了电磁能量的吸收效率，该吸波器由周期排列的宽频带单元组成的阵列，各个单元的吸收效率在80％以上。吸波器包括阵列单元、接地板和馈电微带线。该阵列单元与接地板之间为介质，接地板上开了槽孔，用于耦合馈电，接地板和阵列单元为平行放置。电磁波入射到置于接地板上方的阵列单元上。

以上所述电磁能量吸收、储存、供电装置，不是光能吸收、储存、供电装置，而是利用高吸收效率宽频带吸波器，将无线电波辐射能转换成电能，采用提出的宽频带吸波单元结构制作的吸波器，当电磁波频率从30MHz至900GHz(射频至太赫兹)的电磁波照射到本发明中的电磁波吸波器上时，本发明公开就会把电磁波的能量变成电能存储起来。当许多个此类装置并联起来接收电磁能量就可以有更大的输出功率。

以上所述，仅是本发明的在某一特定频率的实例而已，并非对本发明作任何形式上的限定。任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的保护范围之内。

从以上描述中应当理解，虽然已经说明和描述了特定实现，但可以对其作出并在此设想到各种修改。本发明也不旨在由说明书内所提供的具体示例所限制。虽然已参考前述说明书描述了本发明，但本说明书对优选实施方式的描述和说明不应以限制性的意义来解释。此外，应当理解，本发明的所有方面均不限于以上所述的取决于多种条件和变量的具体描绘、配置或相对比例。对本发明实施方式的形式和细节上的各种修改对于本领域技术人员而言将会是显而易见的。