一种双极化双孔式电磁能量收集器

本发明涉及电磁能量收集，具体而言是一种双极化双孔式电磁能量收集器。

背景技术：

1、随着科技的进步与发展，周围空间中分布这各种频段和不同密度的电磁信号，不同频段的信号起到不同的作用，不同密度的信号取决于使用程度。例如，频率范围为2.4ghz-2.4835ghz是wifi频段，人们通常使用的无线路由器处于该频段，致使其使用程度较高，在空间中的分布较于其他频段广泛。科技的发展促使空间中无线设备的数量增多，此类设备需保持长时间运行且不间断供电，传统电池不足以维持其运行状态。电磁能量收集为解决此问题提供了一种新方式，电磁波因除携带相应的信息外还携带有一定功率等级的电磁能量而被广泛关注，通过简单的装置即可对电磁能量进行收集、转换和存储。最早在20世纪，nikola tesla提出使用电磁波进行无线能量传输并进行了实验，电磁能量收集器随即受到了广泛关注。

2、频率选择表面是一种超材料微结构单元按照周期性排列组成的人工电磁装置，拥有良好的电磁调控特性，如透波特性和吸波特性。利用频率选择表面设计的能量收集器通常由底层导电金属板、中间介质基板、表面导电结构层以及金属化过孔构成。在入射电磁波的共振频率下，收集器的表面阻抗与自由空间中的波阻抗达到匹配，获得最大能量收集效率。不同于普通吸波器，该收集器是收集电磁能量而非耗散。目前，研究人员已经提出多种利用频率选择表面设计出的能量收集器，但这些结构仍有不足，比如主要包括单孔结构的收集器不具备普适性及不便于一同收集不同极化状态下的电磁能量，多数量过孔彼此间存在耦合，会间接影响电磁能量的收集效率，大角度入射时出现能量收集效率骤降以及不能对不同极化电磁波能量的同时收集。

技术实现思路

1、根据上述技术问题，而提供一种双极化双孔式电磁能量收集器。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种双极化双孔式电磁能量收集器，所述能量收集器包括能量收集单元，第一金属化过孔和第二金属化过孔轴向贯穿所述能量收集单元，所述能量收集单元包括由上向下同轴依次设置的导电结构层、中间介质基板和导电金属板；所述导电金属板内设置有分别安装在所述第一金属化过孔和所述第二金属化过孔内的第一负载电阻和第二负载电阻；

4、所述导电结构层呈具有四个缺口的正方形，四个所述缺口分别位于所述正方形的四个角处，所述正方形的相邻两边中，其中一边平行于x轴，另一边平行于y轴；所述缺口包括位于所述角处的顶部开口、位于所述角处对角线两侧的两个侧壁、靠近所述正方形中心的底壁、将所述底壁和所述侧壁连接的连接壁；两个所述连接壁中，其中一个所述连接壁平行于x轴，另一个所述连接壁平行于y轴；所述侧壁与其所靠近的所述对角线之间的距离，由所述顶部开口至所述底壁逐渐增大；

5、所述第一金属化过孔和所述第二金属化过孔分别位于相邻两个所述缺口的两个底壁之间处，且所述第一金属化过孔的中心与所述导电结构层的中心连线平行于x轴，所述第二金属化过孔的中心与所述导电结构层的中心连线平行于y轴。

6、优选地，所述能量收集器包括多个所述能量收集单元，且多个所述能量收集单元呈阵列式排布，且所述能量收集器在x轴上的所述能量收集单元数量与在y轴上的所述能量收集单元的数量相同，相邻两个所述能量收集单元之间具有间隙。

7、优选地，所述中间介质基板和所述导电金属板均为边长为26mm的正方形。

8、优选地，相邻两个所述缺口中，相对设置的两个所述连接壁之间的距离a＝4mm；

9、所述底壁的长度

10、所述连接壁的长度c＝1mm；

11、所述第一金属化过孔和所述第二通通孔的中心与所述正方形的中心之间的距离d＝4mm；

12、所述第一金属化过孔和所述第二金属化过孔的孔径d为1.3mm；

13、相邻两个所述缺口中，贴近所述正方形同一边的两个所述侧壁的端部之间的距离l＝22mm；

14、所述侧壁靠近所述连接壁的一端与所述侧壁所贴近的所述正方形的边之间的距离l1＝6mm；

15、所述侧壁的长度

16、所述正方形的边与所述侧壁之间的夹角满足，

17、优选地，所述导电结构层和所述导电金属板的制备材料为铜，且厚度均为0.035mm。

18、优选地，所述中间介质基板采用介电常数2.65，介质损耗正切值0.001的f4b板材制备而成，且厚度为3mm。

19、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

20、1.本发明导电结构层为十字形衍生结构和八边形组合，通过优化结构参数实现能量收集器与自由空间的阻抗匹配。该结构通过限制电磁波入射时能量收集周期单元表面电流的分布，使电流大量汇聚在过孔处，实现高效收集电磁能量。

21、2.本发明采用了x向和y向方向两个金属化过孔的结构，能高效率地独立收集两极化状态下的电磁能量，彼此过孔之间无影响。

22、3.本发明工作在wifi主频段2.4ghz—2.4835ghz内，对此频段内垂直入射与工程上大角度倾斜入射的电磁波的能量具有显著的收集效果。

23、4.本发明可进行平方式扩展(m＝n2，n＝1,2,3……；其中m为能量收集单元总数量，n为x向或y向上能量收集单元数量)来增大收集器面积，以便收集到更多的能量。收集器扩展后的能量收集效率不会因面积增大而显著骤降，只是微小的降低，变化量维持在5％左右。

24、5.本发明除充当能量收集器外，亦可作为普通吸波器吸收空间中的电磁波。

25、基于上述理由本发明可在电磁能量收集器等领域广泛推广。

技术特征：

1.一种双极化双孔式电磁能量收集器，其特征在于，所述能量收集器包括能量收集单元，第一金属化过孔和第二金属化过孔轴向贯穿所述能量收集单元，所述能量收集单元包括由上向下同轴依次设置的导电结构层、中间介质基板和导电金属板；所述导电金属板内设置有分别安装在所述第一金属化过孔和所述第二金属化过孔内的第一负载电阻和第二负载电阻；

2.根据权利要求1所述的一种双极化双孔式电磁能量收集器，其特征在于，所述能量收集器包括多个所述能量收集单元，且多个所述能量收集单元呈阵列式排布，且所述能量收集器在x轴上的所述能量收集单元数量与在y轴上的所述能量收集单元的数量相同，相邻两个所述能量收集单元之间具有间隙。

3.根据权利要求1所述的一种双极化双孔式电磁能量收集器，其特征在于，所述中间介质基板和所述导电金属板均为边长为26mm的正方形。

4.根据权利要求1或3所述的一种双极化双孔式电磁能量收集器，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的一种双极化双孔式电磁能量收集器，其特征在于，所述导电结构层和所述导电金属板的制备材料为铜，且厚度均为0.035mm。

6.根据权利要求1所述的一种双极化双孔式电磁能量收集器，其特征在于，所述中间介质基板采用介电常数2.65，介质损耗正切值0.001的f4b板材制备而成，且厚度为3mm。

技术总结
本发明提供一种双极化双孔式电磁能量收集器，所述能量收集器包括能量收集单元，第一金属化过孔和第二金属化过孔轴向贯穿所述能量收集单元，所述能量收集单元包括由上向下同轴依次设置的导电结构层、中间介质基板和导电金属板；所述导电金属板内设置有分别安装在所述第一金属化过孔和所述第二金属化过孔内的第一负载电阻和第二负载电阻；所述导电结构层呈具有四个缺口的正方形。本发明采用了x向和y向方向两个金属化过孔的结构，能高效率地独立收集两极化状态下的电磁能量，彼此过孔之间无影响。且利用导电结构层的特殊结构使电流大量汇聚在过孔处，实现高效收集电磁能量。

技术研发人员：刘宁,刘祥焱,李晓,丁浩勇,盛贤君,王克欣
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13