基于吸波器的无线射频能量收集系统及用电设备的制作方法

1.本发明涉及射频能量采集技术领域，尤其涉及一种基于吸波器的无线射频能量收集系统及用电设备。


背景技术：

2.在人们的生活环境中，无线射频信号覆盖了各个角落，生活在电磁波的包围之中，虽然没有事实依据能证明这样的环境会对人体健康造成不良影响，但无处不在的电磁污染仍旧让人心怀忧虑，与此同时，在无线射频信号中都蕴含了微弱的能量，若能将无线射频信号有效吸收，同时将其中蕴含的微小能量进行转换储存，这样既能消除环境中的电磁污染，也对于环境能量的回收与再利用有极大帮助。
3.现有的能量收集方式多种多样，包括太阳能收集、振动能量收集、压电能量收集、射频信号能量收集等，其中，硅光电池、压电能量收集、振动能量收集等方式无法收集环境中的射频能量。
4.因此，如何能够回收并利用环境中的射频能量成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种基于吸波器的无线射频能量收集系统及用电设备，解决相关技术中存在的无法实现对环境中的射频能量进行回收和利用的问题。
6.作为本发明的第一个方面，提供一种基于吸波器的无线射频能量收集系统，其中，包括：吸波器，用于收集无线射频信号；整流电路，与所述吸波器电连接，用于将所述无线射频信号转换成电能；储能装置，分别与所述整流电路和所述吸波器电连接，用于存储所述电能。
7.进一步地，所述吸波器包括ito导电薄膜以及依次设置在所述ito导电薄膜上的第二衬底层、介质玻璃板、第一衬底层和ito导电网格，所述ito导电网格涂印在所述第一衬底层上，所述ito导电薄膜涂印在所述第二衬底层上，所述第一衬底层和所述第二衬底层均与所述介质玻璃板粘贴，所述ito导电网格与所述整流电路电连接，所述ito导电薄膜与所述储能装置电连接。
8.进一步地，所述第一衬底层的面积与形状以及所述第二衬底层的面积与形状均与所述介质玻璃板相同，且所述第一衬底层和第二衬底层均为透光硬质层。
9.进一步地，所述第一衬底层的边缘和所述第二衬底层的边缘均设置双面胶，所述第一衬底层和所述第二衬底层均通过双面胶与所述介质玻璃板粘贴。
10.进一步地，所述ito导电网格包括位于导电银线框内的等孔径方形网格。
11.进一步地，所述ito导电网格上设置第一导线连接点，所述ito导电薄膜上设置第二导线连接点，所述第一导线连接点通过第一导线与所述整流电路连接，所述第二导线连
接点通过第二导线与所述储能装置连接。
12.进一步地，所述整流电路包括第一电容、第二电容、第一二极管和第二二极管，所述第一电容的一端与所述吸波器连接，所述第二电容的另一端分别连接所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极，所述第一二极管的阳极连接信号地，所述第二二极管的阴极与所述第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端连接信号地，所述第二二极管的阴极还连接所述储能装置。
13.进一步地，所述储能装置包括超级电容。
14.进一步地，所述超级电容通过electrolyte-pani-au结构形成欧姆接触，以与所述整流电路的输出端连接。
15.作为本发明的另一个方面，提供一种用电设备，其中，包括功耗电路和前文所述的基于吸波器的无线射频能量收集系统，所述基于吸波器的无线射频能量收集系统能够收集无线射频信号并将收集到的无线射频信号转换成电能，为所述功耗电路提供电能供应。
16.本发明提供的基于吸波器的无线射频能量收集系统，由于采用吸波器收集无线射频信号，可以在保证收集效率的同时，使得该无线射频能量收集系统既可以大面积铺设用于环境中无线射频信号能量收集，也可以与无线设备相结合，拓宽了无线能量收集系统的应用场景。
附图说明
17.附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
18.图1为本发明提供的基于吸波器的无线射频能量收集系统的结构示意图。
19.图2为本发明提供的吸波器的具体结构示意图。
20.图3为本发明提供的吸波器性能吸收率仿真结果示意图。
21.图4为本发明提供的整流电路的等效电路图。
22.图5为本发明提供的超级电容的等效电路图。
23.图6为本发明提供的超级电容性能探究实验示意图。
24.图7为本发明提供的超级电容充电性能示意图。
25.图8为本发明提供的超级电容放电性能示意图。
26.图9为本发明提供的吸波器性能探究实验示意图。
27.图10为本发明提供的吸波器吸波性能随位置变化示意图。
28.图11为本发明提供的无线射频能量收集系统性能测试示意图。
29.图12为本发明提供的无线射频能量收集系统充电效率随位置变化曲线。
30.图13为本发明提供的用电设备的具体结构示意图。
31.图14为本发明提供的吸波器形状示意图。
具体实施方式
32.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
33.为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附
图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
34.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
35.在本发明中，为了能够实现对无线射频信号的收集并利用收集后的无线射频信号，提供一种基于吸波器的无线射频能量收集系统，其中，如图1所示，包括：吸波器100，用于收集无线射频信号；整流电路200，与所述吸波器电连接，用于将所述无线射频信号转换成电能；储能装置300，分别与所述整流电路和所述吸波器电连接，用于存储所述电能。
36.应当理解的是，通过吸波器收集无线射频信号，通过整流电路对无线射频信号进行转换得到电能，通过储能装置存储电能，以便于能够为有需要的功耗电路提供电能供应，因此，通过上述吸波器、整流电路和储能装置搭建出无线射频能量收集系统，由于无线射频信号中蕴含了微弱的能量，使用无线射频能量收集系统可以将这些信号中的微弱能量转换成电能并储存起来，使用时再将电能输出，以达到消除电磁污染和能量回收利用的双重目的。综上，本发明提供的基于吸波器的无线射频能量收集系统，由于采用吸波器收集无线射频信号，可以在保证收集效率的同时，使得该无线射频能量收集系统既可以大面积铺设用于环境中无线射频信号能量收集，也可以与无线设备相结合，拓宽了无线能量收集系统的应用场景。
37.作为所述吸波器的具体实施方式，如图2所示，所述吸波器100包括ito导电薄膜110以及依次设置在所述ito导电薄膜110上的第二衬底层120、介质玻璃板130、第一衬底层140和ito导电网格150，所述ito导电网格150涂印在所述第一衬底层140上，所述ito导电薄膜110涂印在所述第二衬底层120上，所述第一衬底层140和所述第二衬底层120均与所述介质玻璃板130粘贴，所述ito导电网格150与所述整流电路200电连接，所述ito导电薄膜110与所述储能装置300电连接。
38.具体地，所述第一衬底层140的面积与形状以及所述第二衬底层120的面积与形状均与所述介质玻璃板130相同，且所述第一衬底层140和第二衬底层120均为透光硬质层。
39.需要说明的是，本发明实施例中吸波器为方形，可以进行大面积铺设，甚至可以替代窗户玻璃以减少空间占用，从而实现对于环境中无线射频信号的收集。
40.具体地，所述第一衬底层140的边缘和所述第二衬底层120的边缘均设置双面胶，所述第一衬底层140和所述第二衬底层120均通过双面胶与所述介质玻璃板130粘贴。
41.需要说明的是，所述双面胶选用光学胶，保证有良好的光学透过率；所述第一衬底层140和第二衬底层120均采用pet材料，具有良好的透光性。
42.具体地，如图2所示，所述ito导电网格150包括位于导电银线框151内的等孔径方形网格152。
43.应当理解的是，ito导电网格150边缘用银线连接成封闭方框，可以使得整个ito导电网格150的有效电阻减少一半。
44.具体地，所述ito导电网格150上设置第一导线连接点153，所述ito导电薄膜110上设置第二导线连接点111，所述第一导线连接点153通过第一导线与所述整流电路200连接，所述第二导线连接点111通过第二导线与所述储能装置300连接。
45.需要说明的是，第一导线与第一导线连接点153处涂印银浆，所述第二导线与第二导线连接点111处涂印银浆，可以减少连接点处接触电阻，增加连接稳定性，降低能量损耗。
46.如图3所示，本发明实施例所述吸波器进行吸收率仿真，其中ito导电网格150的线宽100μm，线距8.5mm，介质玻璃板130的介电常数7.75，厚度11mm，ito导电薄膜110的面电阻是8ω/sq，从仿真结果可以看出，该结构的吸波器在2.2ghz~3ghz之间频率范围内吸收率超过90%，足以满足该无线射频能量收集系统对吸波器吸收性能的要求。
47.具体地，如图4所示，所述整流电路200包括第一电容c1、第二电容c2、第一二极管d1和第二二极管d2，所述第一电容c1的一端与所述吸波器100连接，所述第二电容c2的另一端分别连接所述第一二极管d1的阴极和所述第二二极管d2的阳极，所述第一二极管d1的阳极连接信号地，所述第二二极管d2的阴极与所述第二电容c2的一端连接，所述第二电容c2的另一端连接信号地，所述第二二极管d2的阴极还连接所述储能装置300。
48.如图4所示，为所述无线射频能量收集系统中整流电路等效示意图，整流电路200由两个100pf电容（c1、c2）及两个sms7621肖特基二极管（d1、d2）按双管串并联方式连接组成，图4中rf表示整流输入端所接无线射频信号源（本发明实施例中无线射频信号源为吸波器）、rl表示整流输入端所接储能负载（本发明实施例中储能负载为储能装置）。
49.需要说明的是，所述整流电路中肖特基二极管型号为sms7621，有利于降低整流电路工作启动电压，拓宽整流范围，同时提升整流效率。
50.在本发明实施例中，所述储能装置300包括超级电容。
51.如图5所示为超级电容等效电路图。所述超级电容通过electrolyte-pani-au结构形成欧姆接触，以与所述整流电路的输出端连接。
52.为了对探究所用超级电容具体性能，首先对超级电容进行了了充放电实验，如图6所示，利用万用表给超级电容充电，利用示波器测量超级电容两端电压随时间的变化，并根据此计算出超级电容器的电容值。最终得到该超级电容充放电示意图如图7和图8所示，据此计算出该超级电容rs值接近20ω，电容c0接近0.086f，说明该超级电容性能已经符合超级电容低电阻、高电容的标准。
53.为了探究本发明实施例中吸波器对无线射频信号的收集能力，如图9所示，将一点频源连接喇叭天线，将射频信号通过喇叭天线发出，由吸波器接收，吸波器连接在频谱仪上，不断调整喇叭天线-吸波器之间的直线距离，观察频谱仪上检测到的功率峰值，最终结果如图10所示，可以看出随着距离的增加，吸波器的收集效率逐渐降低。
54.在发明本实施例中，以完整的无线射频能量收集系统进行实验演示，如图11所示，将一点频源连接喇叭天线，将射频信号通过喇叭天线发出，由吸波器接收，将万用表调至电压档与超级电容并联，记录下一定时间内万用表示数变化，再关闭点频源，同样记录下一定时间内万用表示数变化，同时调整喇叭天线-吸波器间直线距离，多次实验。最终实验结果如图12所示，不难看出，该无线能量收集系统具有较高能量转换效率，同时随着距离的增
大，转换效率有所降低。同时可以发现该无线射频能量收集系统具有充电快，但能量输出慢而稳定的特点。
55.综上，本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）采用吸波器作为无线射频能量收集系统无线射频信号收集装置，可以拓宽无线能量收集装置的应用范围。2）整流电路选用双管串并联电路，并选用特定型号肖特基二极管，提升了整流效率（ads仿真效率最高达45%），使得整个无线能量收集系统的吸收效率增加。3）采用超级电容作为整个系统的储能装置，可以实现能量的快速储存及稳定输出。
56.作为本发明的另一实施例，提供一种用电设备，其中，如图13所示，包括功耗电路400和前文所述的基于吸波器的无线射频能量收集系统，所述基于吸波器的无线射频能量收集系统能够收集无线射频信号并将收集到的无线射频信号转换成电能，为所述功耗电路提供电能供应。
57.在本发明实施例中，演示了所述无线射频能量收集系统的另一应用场景，如图14所示，可以将吸波器制成圆形或矩形，这样可以将部分无线设备如无线表盘的屏幕替换成吸波器，用超级电容替代传统节电池，这样就可以利用环境中无处不在的无线信号，将无线信号中含有的微弱能量转换收集起来，给无线设备进行充电，不再需要重复更换节电池，可以节省大量的人力、物力时间成本，同时与减少了废弃电池造成污染的问题。整个基于吸波器的无线射频能量收集系统工作原理如图13所示。
58.应当理解的是，使用吸波器作为无线射频信号收集装置，不仅具有较高的收集效率，同时能拓宽无线射频能量收集系统的应用场景。以表盘为例，可以将吸波器代替表盘屏幕，以超级电容替代节电池，这样即不影响表盘读取，同时也解决了表盘供电问题，实现表盘的智能无线工作。除此之外，将无线射频能量收集系统安装在窗户上，既不影响环境采光，同时可以连接各种用电装置如感光夜灯、电子钟、传感器等。
59.因此，本发明提供的用电设备，通过该无线射频能量收集系统可以实现对点频源或其他发射源发出的无线射频信号的能量转换与收集储存，使用时再将电能输出，以达到消除电磁污染和能量回收利用的双重目的。
60.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。