專利名稱：次波長諧振結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的高效率微波能量接收板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一種涉及微波能量接收板，特別是涉及一種次波長諧振結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的高效率微波能量接收板。
背景技術(shù)：
微波能量傳輸技術(shù)是指以自由空間為傳播媒介將能量直接從發(fā)射端傳送到接收端的一種非接觸的方式傳輸能量技術(shù)，由于微波能量傳輸技術(shù)在S和C波段傳輸效率一般在90%以上，而且微波波束的強度和方向較容易控制，使得微波能量傳輸技術(shù)在國際、國內(nèi)上受到越來越多的關(guān)注，尤其是近幾年得到了充分的發(fā)展，在雷達系統(tǒng)以及無線微波能量傳輸方面都有廣闊的應(yīng)用前景。自從十七世紀末特斯拉實驗驗證了赫茲用無線電傳播能量的理論，近代微波能量傳輸技術(shù)得到了高速發(fā)展。上世紀70年代對于能源危機的認識，促使美國、日本等經(jīng)濟大國開始太陽能研究計劃，極大推進了無線微波能量傳輸與轉(zhuǎn)化技術(shù)的進步。而且隨著微波通信的迅猛發(fā)展，在上世紀80年代左右國際研究組提出高空長期作業(yè)通信接力平臺的設(shè)想，這是現(xiàn)在臨近空間飛行器的雛形，而微波能量傳輸技術(shù)是這個平臺獲取能量的主要方式。90年代開始，微波能量傳輸技術(shù)在低功率、近距離應(yīng)用得到關(guān)注，被稱作微系統(tǒng)的“虛擬電池”，不僅可以減小了能量使用者的體積和重量，而且可以終身供能。在國內(nèi)，也有多個研究小組對微波能量傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)做了比較系統(tǒng)和深入的探索，首先實現(xiàn)了對管道機器人的微波輸能。微波能量傳輸系統(tǒng)涉及到微波的多個研究領(lǐng)域，包括微波功率發(fā)生器、空間功率合成、波束控制、接收天線、微波整流電路、整流天線組陣技術(shù)等，以及為了提高整體轉(zhuǎn)換效率各個部分的有機結(jié)合。每一個環(huán)節(jié)都對微波能量傳輸效率起著至關(guān)重要的作用。尤其是接收天線效率以及微波整流效率(即整流天線的效率)極大影響著微波能量傳輸系統(tǒng)的效率，而傳統(tǒng)的整流天線由于不匹配或者能量轉(zhuǎn)化效率低等不足制約著微波能量傳輸系統(tǒng)的快速發(fā)展。因此，整流天線是當前微波能量傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，他主要由兩部分組成，第一部分微波接收天線，第二部分是二極管整流電路。其中二極管整流電路的效率是整流天線微波能量轉(zhuǎn)直流能量轉(zhuǎn)換效率的核心，與工作頻率、輸入功率、負載等密切相關(guān)。目前國際較好的整流天線是雙饋圓形鐵片天線，在高功率輸入情況下，接收效率為達到81%。另外也有些項目組研究了整流天線陣列，試圖提高接收能量，但是相比較單元天線的接收效率，總體能量轉(zhuǎn)換效率更低，而且由于考慮到尺寸、體積因素，整流天線陣要求設(shè)計得更緊湊，但是由于普通天線單元之間的耦合，是的陣元之間至少相距半波長，大大降低了能量利用率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種次波長諧振結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的高效率微波能量接收板，每個單元由次波長諧振結(jié)構(gòu)和高頻整流芯片兩部分構(gòu)成。利用電磁波在次波長諧振結(jié)構(gòu)中同時發(fā)生電諧振和磁諧振的特性，使得其諧振時的等效電路可以實現(xiàn)高頻整流電路與真空環(huán)境的完美匹配，從而實現(xiàn)無線微波能量的完美接收。通過高頻整流電路將所接收到的微波能量整流轉(zhuǎn)化成直流能量輸出。將很多個次波長諧振單元周期排列構(gòu)成接收板，使每個單元產(chǎn)生的直流電源串聯(lián)而成，從而產(chǎn)生所需電壓的直流供電源，實現(xiàn)高效率微波能量接收板，由于單元尺寸處于次波長范圍內(nèi)，整個接收板可等效為均勻介質(zhì)微波能量收集板。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
本發(fā)明的每個次波長諧振單元由三層組成，呈正方形結(jié)構(gòu)，在中間層Rogers電路板上面正中間鍍有一層正方形金屬銅片，正方形金屬銅片由兩個等腰直角三角形構(gòu)成，兩個等腰直角三角形縫隙兩邊分別與高頻整流芯片的兩個輸入接口相連，作為高頻整流電路的輸入端，正方形金屬銅片的四個邊分別經(jīng)條形金屬銅片分別與各自的長條形金屬銅片連接，每片長條形金屬銅片分別與正方形的四邊平行，在中間層Rogers電路板下面鍍滿一層金屬銅片底板，在金屬銅片底板的中間開兩個相交的環(huán)形開口，兩個環(huán)形開口正中間的小金屬銅片經(jīng)過Rogers電路板的過孔分別與高頻整流芯片的兩個輸出端相連，小金屬銅片之間并聯(lián)一個高頻濾波電容，這兩個小金屬銅片作為直流電源的正負極輸出端。所述的次波長諧振結(jié)構(gòu)單元的長度小于1/4工作波長。所述的次波長諧振結(jié)構(gòu)單元沿上下左右方向周期延拓，組成大面積高效率微波能量接收板。本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有的有益效果是
1)設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，厚度薄(只需2. 5mm)，只有微波波長的八十分之一的厚度即可實現(xiàn)高效率微波能量接收轉(zhuǎn)化，所用材料均為常見材料。2)設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸小，低于工作波長的1/5，可以視為均勻等效介質(zhì)，接收能量有效口徑均勻，即設(shè)計了一種均勻微波能量接收及轉(zhuǎn)化功能介質(zhì)板。3)匹配性能極好，經(jīng)過實例仿真驗證，在工作頻率上的反射系數(shù)為-38dB，能量接收轉(zhuǎn)化效率為99%。4)結(jié)構(gòu)多變，可以針對不同接收頻帶要求設(shè)計不同的形狀和大小，每一種形狀都可以高效率接收和轉(zhuǎn)化。本發(fā)明可廣泛用于當今各種頻段的微波能量傳輸與接收裝備研發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域。


圖1次波長諧振結(jié)構(gòu)單元正面示意圖。圖2次波長諧振結(jié)構(gòu)單元反面示意圖。圖3整體高效微波能量吸收板實例正面示意圖。圖4整體高效微波能量吸收板實例反面示意圖。圖中1.正方形金屬銅片，2.高頻整流芯片，3.金屬銅片底板，4.濾波電容。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖1、圖2所示，每個次波長諧振單元由三層組成，呈正方形結(jié)構(gòu)，在中間層Rogers電路板上面正中間鍍有一層正方形金屬銅片1，正方形金屬銅片1由兩個等腰直角三角形構(gòu)成，兩個等腰直角三角形縫隙兩邊分別與高頻整流芯片2的兩個輸入接口相連，作為高頻整流電路的輸入端，正方形金屬銅片1的四個邊分別經(jīng)條形金屬銅片分別與各自的長條形金屬銅片連接，每片長條形金屬銅片分別與正方形的四邊平行，在中間層Rogers電路板下面鍍滿一層金屬銅片底板3，在金屬銅片底板3的中間開兩個相交的環(huán)形開口，兩個環(huán)形開口正中間的小金屬銅片經(jīng)過Rogers電路板的過孔分別與高頻整流芯片2的兩個輸出端相連，小金屬銅片之間并聯(lián)一個高頻濾波電容4，這兩個小金屬銅片作為直流電源的正負極輸出端。所述的次波長諧振結(jié)構(gòu)單元的長度小于1/4工作波長。如圖3、圖4所示，所述的次波長諧振結(jié)構(gòu)單元沿上下左右方向周期延拓，組成大面積高效率微波能量接收板。本發(fā)明提供的次波長諧振單元實例示意圖如圖1所示，包括頂層焊有高頻整流芯片2的正方形金屬銅片1和中間層Rogers電路板RT/d 6006，以及焊有濾波電容4的金屬銅片底板3。當空氣中無線微波信號輻射到次波長諧振結(jié)構(gòu)單元上時，此波長諧振結(jié)構(gòu)同時出現(xiàn)電諧振和磁諧振，將無線微波能量吸收并在高頻整流芯片2的兩端口形成強信號。經(jīng)過高頻整流芯片2的整流后會在芯片的另外兩個輸出端口輸出直流信號，這里特別注意的是高頻整流芯片整流后的兩個輸出端口經(jīng)過中間層Rogers電路板的過孔與金屬銅片底板3中間的兩個小金屬銅片分別連接，最后經(jīng)濾波電容4濾波后以金屬銅片底板3中間的兩個小金屬銅片為正負極輸出直流能量。每個次波長諧振結(jié)構(gòu)單元的長度和寬度均為40mm，共有三層材料組成。頂層為正方形金屬銅片1，厚度為0. 035mm，縫隙寬度為0. 5mm?？p隙兩邊作為高頻整流芯片2的兩個輸入接口與芯片相連，作為高頻整流芯片2的輸入端。中間層為Rogers電路板，型號為RTduroid 6006，Rogers電路板的厚度為2. 5mm，相對介電常數(shù)為6. 15，損耗正切為0. 002，相對磁導率為1。金屬銅片底板3中間開有兩個半徑為2mm圓心距為2. 8mm的小圓環(huán)開口，圓環(huán)中間各自剩有一個半徑為0. 2mm小金屬銅片，兩個小金屬銅片經(jīng)過Rogers電路板的過孔與高頻整流芯片2的兩個輸出端相連，并且兩個小金屬銅片之間由一濾波電容4相連，這兩個小金屬銅片最終作為直流電源的正負極輸出直流電壓。當空氣中無線微波信號輻射到次波長諧振結(jié)構(gòu)單元上時，此波長諧振結(jié)構(gòu)同時出現(xiàn)電諧振和磁諧振，將無線微波能量吸收并在高頻整流芯片2的兩端口形成強信號。經(jīng)過高頻整流芯片2的整流后會在芯片的另外兩個輸出端口輸出直流信號
當高效微波能量接收板工作時，入射到次波長諧振結(jié)構(gòu)單元上的電磁波會在頂層片狀開縫金屬銅片與底層的片狀金屬銅片聯(lián)合作用下產(chǎn)生電諧振和磁諧振，形成所需的等效電路結(jié)構(gòu)。由于該次波長諧振單元的尺寸不到工作波長的1/5，使得該金屬單元結(jié)構(gòu)可以等效為均勻介質(zhì)。其等效的相對介電常數(shù)和相對磁導率可以表示為
ε (ω) = ε{ O) + ε2 (ω)矛丨 ι μ{&) -二 μ{ O)十 (ω),其中 S11 (ffl)為該等效介質(zhì)
相對介電常數(shù)的實部，&她為該等效介質(zhì)相對介電常數(shù)的虛部(虛部越大表示介質(zhì)
吸波效率越高。).同理為該等效介質(zhì)相對介電常數(shù)的實部，為該等效介質(zhì)相對介電常數(shù)的虛部(虛部越大表示介質(zhì)吸波效率越高。)。適當改變開槽片狀金屬銅片的尺寸大小、開槽縫隙的寬度，可以使得該介質(zhì)的介質(zhì)參數(shù)在所需工作頻率上得到
ε(ω) = Ei(W) + ε2( ) = μ(ω) = ^i (ω) + μ2(ω),即相對介電常數(shù)的實部與相對
磁導率相等，這樣就實現(xiàn)了與空氣的阻抗完全匹配，形成完美匹配零反射。而同時由于高頻濾波芯片的存在，會將絕大部分交流信號吸收，轉(zhuǎn)化成零頻直流信號，即此時該等效介質(zhì)的
虛部即和興2( )會很大，表明極高的微波能量轉(zhuǎn)化效率。每一個單元都能獨自組
成一個直流供電源。將很多個單元周期排列，并且將每個單元輸出端得正負極一次串聯(lián)即可實現(xiàn)高電壓直流供電源，這樣就將無線交流信號能量全部轉(zhuǎn)化成直流電源。本實例中的高效率無線能量接收板正反面效果圖如圖3、圖4所示，本發(fā)明介紹的結(jié)構(gòu)工作頻率為1. 5GHz,即工作波長為200mm，而本材料的厚度僅為2. 5mm,即僅相當于工作波長的八十分之一的厚度，可以說是完美微波能量接收板。根據(jù)仿真結(jié)果顯示，在工作頻帶中心，每個結(jié)構(gòu)單元反射系數(shù)僅為-38dB，幾乎完美吸收轉(zhuǎn)化，，并且由于材料本身損耗極小，因此能量轉(zhuǎn)化效果將近99%。本發(fā)明的工作頻率為1. 5GHz，如果要工作在其他頻率，需要根據(jù)工作波長比例調(diào)整次波長諧振結(jié)構(gòu)單元的尺寸。以上所述，僅是本發(fā)明的在1.5GHz特定頻率的較佳實例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限定，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或修飾為等同變化的等效實例，但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實例所作的任何的簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種次波長諧振結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的高效率微波能量接收板，其特征在于每個次波長諧振單元由三層組成，呈正方形結(jié)構(gòu)，在中間層Rogers電路板上面正中間鍍有一層正方形金屬銅片(1)，正方形金屬銅片(1)由兩個等腰直角三角形構(gòu)成，兩個等腰直角三角形縫隙兩邊分別與高頻整流芯片(2)的兩個輸入接口相連，作為高頻整流電路的輸入端，正方形金屬銅片(1)的四個邊分別經(jīng)條形金屬銅片分別與各自的長條形金屬銅片連接，每片長條形金屬銅片分別與正方形的四邊平行，在中間層Rogers電路板下面鍍滿一層金屬銅片底板(3)，在金屬銅片底板(3)的中間開兩個相交的環(huán)形開口，兩個環(huán)形開口正中間的小金屬銅片經(jīng)過Rogers電路板的過孔分別與高頻整流芯片(2)的兩個輸出端相連，小金屬銅片之間并聯(lián)一個高頻濾波電容(4)，這兩個小金屬銅片作為直流電源的正負極輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種次波長諧振結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的高效率微波能量接收板，其特征在于所述的次波長諧振結(jié)構(gòu)單元的長度小于1/4工作波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種次波長諧振結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的高效率微波能量接收板，其特征在于所述的次波長諧振結(jié)構(gòu)單元沿上下左右方向周期延拓，組成大面積高效率微波能量接收板。
全文摘要
本發(fā)明公開一種次波長諧振結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的高效率微波能量接收板。每個單元呈正方形結(jié)構(gòu)，在中間層Rogers電路板上面正中間鍍有一層正方形銅片，該銅片由兩個等腰直角三角形構(gòu)成，縫隙兩邊與高頻整流芯片的兩個輸入接口相連，作為輸入端，正方形銅片的四個邊分別經(jīng)條形銅片分別與各自的長條形銅片連接，在中間層電路板下面鍍滿一層銅片底板，中間開兩個相交的環(huán)形開口，兩個環(huán)形開口正中間的小銅片經(jīng)過電路板的過孔分別與高頻整流芯片的兩個輸出端相連，小銅片之間并聯(lián)一個高頻濾波電容。本發(fā)明可以實現(xiàn)微波能量的超高效率接收與轉(zhuǎn)化，成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單接收及轉(zhuǎn)化能量效率高，可廣泛用于當今各種頻段的微波能量傳輸與接收裝備研發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號H02J17/00GK102394514SQ201110232309
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月15日
發(fā)明者冉立新, 葉德信, 張斌, 彭政諭, 王靜雨, 皇甫江濤 申請人:浙江大學