用于空间电磁波探测及能量收集的超表面整流天线阵列的制作方法

本发明属于空间能量收集整流天线阵列技术领域，具体涉及一种用于空间电磁波探测及能量收集的超表面整流天线阵列。

背景技术：

随着移动通信技术的快速发展，向空间大量地辐射电磁波。所以，环境中存在大量不同形式的电磁波。如果环境中存在大量的电磁波而不加以控制，将会带来电磁环境污染。这不仅会使电子设备受到干扰，影响正常工作，也会对人体带来疾病等伤害。考虑到空间电磁波安全标准，空间中电磁波的功率密度不能超过1mw/cm²。为了收集空间中的电磁波，而空间电磁能量收集是指从周围环境中收集杂散的电磁波能量并将其转化成直流输出，为电子设备供电或者作为电能存储起来。它是基于点对点微波输能发展而来，但是点对点微波输能需要设计微波发射源，且传输功率大，频率单一，效率高；而电磁能量收集则一般不需要特定的发射源，针对的是空间中广泛分布的电磁波，其特点为多频率，多极化，功率密度低，能量量级小。如果这些散布在空间中的各种形式的电磁波能量，能被探测出来并合理地加以收集，分别转换成可使用电能，可有效减少电磁能量的浪费，具有重要的意义。

整流天线，即将空间中的电磁波射频能量转换为直流能量，供给给负载。现在大部分整流天线都要在高于10dbm的输入功率下才能实现较高的转换效率，而输入功率太低，转换效率就大幅度降低，不能满足实际需要，甚至整流天线不能工作。由于电路的损耗，适合于低功率的整流天线通常工作频率较低(通常为<2.45ghz)，直流转换效率一般低于高功率整流天线，并且造价高。

最近研究发现，由于超材料或超表面(metamaterialormetasurface)的奇异电磁特性，可作为整流天线中的接收天线收集环境中的射频能量。通常，构成超材料的一种基本结构是开口谐振环(split-ringresonator，srr)，其在谐振频率处会表现出强烈的非线性。利用srr谐振时电场集中的特点，验证了srr作为电磁能量收集单元的可行性。

为了收集空间中散布的电磁波，采用超材料或超表面单元作为电磁能量收集单元，相较于传统天线，单位面积的收集效率更高。并且，超材料或超表面可利用单元结构参数的变化实现渐变的电磁参数，对入射的电磁波起到汇聚效果。然而，超表面是超材料的二维对应，更易于天线实现低剖面、平面化。因此，超材表面整流天线对于各种形式的空间电磁能量收集，具有十分广阔的应用前景。

文献“amicrowavemetamaterialwithintegratedpowerharvestingfunctionality”基于超表面开口谐振环单元结构，提出了超表面整流天线阵列结构，如图1所示。该结构可收集空间中900mhz的能量，每个谐振环天线单元后接一整流电路，成为一个超表面整流天线单元，收集射频能量并将其转换为直流能量。这些超表面整流天线单元并联连接在一起，将整流出来的直流能量收集到一起。整个超表面整流天线阵列的整流转换效率为36.8％。但是，此超表面整流阵列结构只能收集单一频率的微波能量，且由于每个超表面整流天线单元直接并联连接在一起，没有考虑阵列布局，导致超表面整流天线阵列庞大。文献“optimalmatchedrectifyingsurfaceforspacesolarpowersatelliteapplications”超表面阵列收集空间能量，如图2所示。超表面阵列由“t”型谐振单元结构组成，在工作频率为2.18ghz下，垂直入射功率密度为0.1mw/cm²时，该超表面阵列结构的能量吸收率为99.92％。超表面阵列结构后面接一整流电路阵列，将收集到的射频能量转换为直流能量，整个超表面整流天线阵列的整流转换效率可达27.71％。但是，所提出的超表面整流天线阵列工作模式单一，不可探测空间中的多个形式电磁波，且不能将其能量分类收集，分别供给给负载。文献“triple-bandpolarization-insensitiveandwide-anglemetamaterialarrayforelectromagneticenergyharvesting”提出了多频率空间电磁能量收集的一款超材料天线阵列，如图3所示。此超材料天线阵列分别在工作频率为1.75ghz,3.8ghz和5.4ghz下，能量收集效率为30％，90％和74％。所提出的此超材料天线后端没有设置整流电路，不能将其能量分类收集，分别供给给负载。文献“designoffrequency-detectingdevicebasedonrectenna”提出一款频率可重构整流天线，如图4所示。通过改变变容二极管的电容值和测量后端整流电路负载的直流能量，在2～2.8ghz频率下，由于各个频率的整流转换效率不同，导致负载输出的直流能量不同，从而可检测出空间中具有不同频率的电磁波。但是所提出的整流天线只适合接收中大功率的射频能量，不适合低功率的空间能量收集。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种用于空间电磁波探测及能量收集的超表面整流天线阵列。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：

一种用于空间电磁波探测及能量收集的超表面整流天线阵列，包括超表面接收天线阵列1、两组整流电路阵列2、能量分配电路3、负载4和介质基板5；超表面接收天线阵列1位于介质基板5的上表面，两组整流电路阵列2、能量分配电路3和负载4位于介质基板5的下表面；

超表面接收天线阵列1为由多频率或多极化谐振环单元组成的m×n超表面阵列结构，m是≥1的正整数，n是≥2的正整数；超表面阵列结构中每一行的谐振环单元的工作模式相同，每相邻的两个谐振环单元为一个超表面接收单元；超表面阵列结构中每一列的谐振环单元的工作模式相同或不同；每个谐振环有两个缝隙作为输出端口；接收天线单元中的相邻两个谐振环用一对电感连接；

两组整流电路阵列2都是由m×(n-1)的全波整流拓扑结构组成；全波整流拓扑结构包括四个整流二极管，左上、左下、右上、右下依次为d1、d2、d3、d4；全波整流拓扑结构中，整流二极管d1、d2的负极都分别连接整流二极管d3、d4的正极；整流二极管d1、d2的正极连接超表面接收单元中第一谐振环单元的第一输出端口，整流二极管d3、d4的负极连接超表面接收单元中第二谐振环单元的第一输出端口；整流电路阵列2每一行中相邻的两个全波整流拓扑结构的整流二极管方向相反；

两组整流电路阵列结构相同，第二整流电路阵列中的整流二极管方向与第一整流电路阵列中的整流二极管方向相反；第二整流电路阵列中的整流二极管连接谐振环单元的第二输出端口；

能量分配电路3是两组相互连接的微带线，其中一组微带线的末端连接第一负载，另一组微带线的末端连接第二负载；微带线的另一端连接工作于同一模式的超表面接收单元所连接的全波整流拓扑结构，连接节点位于四个整流二极管的中间连接部分。

多频率谐振环单元为类似双t谐振单元，由两个相互颠倒的t型枝节组成，在t型枝节的垂直枝节上增加一对倒l型枝节。

多极化谐振环单元由两个开口相对的半圆环组成；两个开口方向与水平线的夹角分别为45°和-135°方向的谐振环收集工作频率5.8ghz下的左圆极化的电磁波能量；两个开口方向与水平线的夹角分别为-45°和135°方向的谐振环收集工作频率5.8ghz下的右圆极化的电磁波能量。

本发明的有益效果是：

本发明所述超表面整流天线结构方案，基于多模式(多频率、多极化)超表面结构，探测出空间中的各种频率或各种极化的电磁波，并将其能量分类收集，分别供给给负载，广泛地应用于空间无线能量收集。

附图说明

图1为背景技术中超表面整流天线阵列的结构示意图，其中(a)超表面整流天线单元，(b)超表面整流天线阵列；

图2为背景技术中收集空间能量的超表面整流天线阵列的结构示意图；

图3为背景技术中工作于三个频段的超表面天线阵列的结构示意图，其中(a)超表面单元；(b)超表面天线阵列；

图4为背景技术中的可重构整流天线的结构示意图；

图5为实施例一所述双频率超表面整流天线阵列结构示意图；

图6为实施例一所述双频率超表面整流天线阵列的吸收功率比，其中(a)端口1；(b)端口2；

图7为实施例一所述双频率超表面整流天线阵列的整流转换效率图。

图8为实施例二所述多极化超表面整流天线阵列，其中(a)多极化超表面天线阵列；(b)整流电路阵列；

图9为实施例二所述多极化超表面整流天线阵列轴比图；

图10为实施例二所述多极化超表面整流天线阵列两个端口处的吸收功率比图；(a)左极化模式的端口1；(b)左极化模式的端口2；(c)右极化模式的端口1；(d)右极化模式的端口2。

图11为实施例二所述多极化超表面整流天线阵列的整流转换效率图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

实施例一

本实施例提供一款用于空间电磁波探测及能量收集的超表面整流天线阵列，其结构示意图如图5所示，包括超表面接收天线阵列1、两组整流电路阵列2、能量分配电路3、负载4和介质基板5；超表面接收天线阵列1位于介质基板5的上表面，两组整流电路阵列2、能量分配电路3和负载4位于介质基板5的下表面；

超表面接收天线阵列1为由多频率谐振环单元组成的3×4超表面阵列结构；超表面阵列结构中每一行的谐振环单元的工作模式相同，每相邻的两个谐振环单元为一个超表面接收单元；超表面阵列结构中每一列的谐振环单元的工作模式相同；每个谐振环有两个缝隙作为输出端口，输出端口的两端分别为正极和负极，形成电压差，作为全波整流电路的源；接收天线单元中的相邻两个谐振环用一对电感连接；

多频率谐振环单元为类似双t谐振单元，用于收集空间中的5.2ghz和5.8ghz电磁波能量；类似双t谐振单元由两个相互颠倒的t型枝节组成，两个t型枝节之间有一缝隙，为端口1，此时t型枝节的谐振结构工作于5.8ghz；为了实现双频率工作，在t型枝节的垂直枝节上增加了一对倒l型枝节，此时在倒l型枝节之间也有一缝隙，为端口2。由于新添加的倒l型枝节延长了整个t型枝节的电长度，所以，此超表面谐振单元在端口2处的工作频率降低到5.2ghz；类似双t谐振单元之间由两个电感l1和l2连接。

这个超表面天线阵列采用hfss进行了仿真，在两个频率5.8ghz(端口1)和5.2ghz(端口2)下可将97.8％和98.5％的电磁波能量吸收，如图6所示。

两组整流电路阵列2都是由3×3的全波整流拓扑结构组成；全波整流拓扑结构包括四个整流二极管，左上、左下、右上、右下依次为d1、d2、d3、d4；全波整流拓扑结构中，整流二极管d1、d2的负极都分别连接整流二极管d3、d4的正极；整流二极管d1、d2的正极连接超表面接收单元中第一谐振环单元的端口1，整流二极管d3、d4的负极连接超表面接收单元中第二谐振环单元的端口1；整流电路阵列2每一行中相邻的两个全波整流拓扑结构的整流二极管方向相反；

两组整流电路阵列结构相同，第二整流电路阵列中的整流二极管方向与第一整流电路阵列中的整流二极管方向相反；第二整流电路阵列中的整流二极管连接谐振环单元的端口2；整流电路阵列通过金属过孔与超表面接收天线阵列连接；

能量分配电路3是两组相互连接的微带线，其中一组微带线的末端连接第一负载，另一组微带线的末端连接第二负载；微带线的另一端连接工作于同一模式的超表面接收单元所连接的全波整流拓扑结构，连接节点位于四个整流二极管的中间连接部分。

首先，类似双t谐振天线阵列接收空间中的5.8ghz和5.2ghz射频能量，再通过每个谐振单元的端口1和端口2，分别向全波整流电路输出5.8ghz(端口1)和5.2ghz(端口2)射频能量。此时，每个端口分为正极和负极，形成电压差，作为源为整流电路提供射频能量。两个端口分别通过过孔连接介质基板底层的两组全波整流电路。当射频源处于正半周时，5.8ghz的射频能量从端口1通过过孔输出到介质基板后面的全波整流电路，由整流二极管d1和d4进行整流，再经过电感l2形成回路；当射频源处于负半周时，由整流二极管d2和d3进行整流，再经过电感l1形成回路(深灰色线)。

为了更好地实现两个频率之间能量的隔离，用于完成5.2ghz射频到直流转换的全波整流电路采用反向连接的整流二极管。当射频源处于正半周时，5.2ghz的射频能量从端口2通过过孔输出到介质基板后面的整流二极管d2和d3进行整流，再经过电感l1形成回路；当射频源处于负半周时，射频能量通过整流二极管d1和d4进行整流，再经过电感l2形成回路(浅灰色线)。并且，相邻谐振环同一个端口连接的全波整流电路也是采用反方向连接的整流二极管，保证每个超表面整流天线单元相互隔离。

每个超表面整流天线单元将两个频率5.2ghz和5.8ghz的射频能量转换为直流能量，由能量分配电路将每个单元整流出来的直流能量按照不同频率进行汇合，再分别输送到不同的负载。在此整流电路阵列中，将各行同一端口(端口1中的5.8ghz或端口2中的5.2ghz)整流出来的直流能量汇合在一起，分别供给给两个负载。通过测量负载上有无直流电压，判断空间中是否有5.2ghz和5.8ghz频率的电磁波。并且，所提出的双频率超表面整流天线阵列可收集空间中的两个频率的电磁波能量，整流成直流能量供给给负载，其整流转换效率在工作频率5.2ghz和5.8ghz输入功率为0.4mw/cm²下分别为70.1％和66.7％，如图7所示。

实施例二

本实施例提供一款用于空间电磁波探测及能量收集的超表面整流天线阵列，其结构示意图如图8所示，包括超表面接收天线阵列1、两组整流电路阵列2、能量分配电路3、负载4和介质基板5；超表面接收天线阵列1位于介质基板5的上表面，两组整流电路阵列2、能量分配电路3和负载4位于介质基板5的下表面；

超表面接收天线阵列1为由多极化谐振环单元组成的4×3超表面阵列结构；超表面阵列结构中每一行的谐振环单元的工作模式相同，每相邻的两个谐振环单元为一个超表面接收单元；超表面阵列结构中相邻列的谐振环单元的工作模式不同；每个谐振环有两个缝隙作为输出端口，输出端口的两端分别为正极和负极，形成电压差，作为全波整流电路的源；接收天线单元中的相邻两个谐振环用一对电感连接；

多极化谐振环单元由两个开口相对的半圆环组成，对应于两个端口，即端口1和端口2。两个开口方向与水平线的夹角分别为45°和-135°方向的谐振环收集工作频率5.8ghz下的左圆极化的电磁波能量；两个开口方向与水平线的夹角分别为-45°和135°方向的谐振环收集工作频率5.8ghz下的右圆极化的电磁波能量，其天线阵列的轴比，如图9所示。多极化超表面谐振环在同一频率5.8ghz下工作，同一极化超表面单元组成一行，不同极化超表面单元相隔行排列，即第一、三行的超表面阵列收集左圆极化电磁波能量；第二、四行的超表面阵列收集右圆极化电磁波能量。多极化超表面阵列采用hfss对天线进行了仿真，在工作频率5.8ghz下可将96.7％(96.3％)和95.3％(95.8％)的左圆极化(右极化)电磁波能量分别从端口1和端口2处吸收，如图10所示。两组整流电路阵列2都是由4×2的全波整流拓扑结构组成；全波整流拓扑结构包括四个整流二极管，左上、左下、右上、右下依次为d1、d2、d3、d4；全波整流拓扑结构中，整流二极管d1、d2的负极都分别连接整流二极管d3、d4的正极；整流二极管d1、d2的正极连接超表面接收单元中第一谐振环单元的端口1，整流二极管d3、d4的负极连接超表面接收单元中第二谐振环单元的端口1；整流电路阵列2每一行中相邻的两个全波整流拓扑结构的整流二极管方向相反；

两组整流电路阵列结构相同，第二整流电路阵列中的整流二极管方向与第一整流电路阵列中的整流二极管方向相反；第二整流电路阵列中的整流二极管连接谐振环单元的端口2；整流电路阵列通过金属过孔与超表面接收天线阵列连接；

能量分配电路3是两组相互连接的微带线，其中一组微带线的末端连接第一负载，另一组微带线的末端连接第二负载；微带线的另一端连接工作于同一模式的超表面接收单元所连接的全波整流拓扑结构，连接节点位于四个整流二极管的中间连接部分。

首先，整个谐振环天线阵列接收空间中的5.8ghz射频能量，再通过谐振单元的端口，向全波整流电路阵列输出不同极化的射频能量。每个端口分为正极和负极，形成电压差，作为源给整流电路提供射频能量。两个端口分别通过过孔连接介质基板底层的两组全波整流电路。

在同一行中，由于接收天线接收相同极化的射频能量，所以同一行的整流电路阵列输出相同极化的射频能量。第一、三行，谐振环天线阵列接收到的左圆极化射频能量，从端口1通过过孔输出到介质基板后面的全波整流电路，由整流二极管d1和d4进行整流，再经过电感l2形成回路；当射频源处于负半周时，由整流二极管d2和d3进行整流，再经过电感l1形成回路(深灰色线)。为了确保不同端口之间的隔离，另一端口(端口2)连接的全波整流电路采用反方向连接的整流二极管。所以，当射频源处于正半周时，同样左旋圆极化射频能量从端口2通过过孔输出到介质基板后面的整流二极管d2和d3进行整流，再经过电感l1形成回路；当射频源处于负半周时，射频能量通过整流二极管d1和d4进行整流，再经过电感l2形成回路(浅灰色线)。并且，相邻谐振环同一个端口连接的全波整流电路也是采用反方向连接的整流二极管。

超表面整流天线单元将工作频率5.8ghz的射频能量转换为直流能量，由能量分配电路将每个单元整流出来的直流能量按照不同的极化进行分类连接，再汇合分别输送到不同的负载。在此整流电路阵列中，现将每行各个端口中获得的直流能量合成，然后将一、三行左极化超表面整流天线阵列所得到直流汇合，供给给负载1。将二、四行右极化超表面整流天线阵列所得到直流汇合，供给给负载2。同理，通过测量负载上有无直流电压，探测并收集空间中不同极化的电磁波，供给给负载。如果负载1有直流电压输出而负载2无直流电压输出，则判断出空间中有左圆极化的电磁波；如果负载1无直流电压输出而负载2有直流电压输出，判断出空间中有右圆极化的电磁波。若负载1和2都有直流电压输出，则空间中有线极化或左、右圆极化的电磁波。

并且，所提出的多极化超表面整流天线阵列通过全波整流电路阵列，将射频能量转换为直流能量供给给负载，其整流转换效率在工作频率5.8ghz输入功率为0.2mw/cm²下分别为61.1％和63.2％，如图11所示。