本發(fā)明涉及射頻能量收集領(lǐng)域，具體涉及一種基于超表面的射頻能量收集器。

背景技術(shù)：

1、隨著物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感技術(shù)的快速發(fā)展，微型無人機無線傳感網(wǎng)絡(luò)因無需布線的便捷性得到廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)電池供電方式存在體積大、壽命短和更換成本高等缺陷，難以滿足輕量化、長續(xù)航的微型無人機應(yīng)用需求。射頻能量收集技術(shù)通過捕獲環(huán)境電磁波能量為傳感器供電，成為替代或補充電池的理想方案。當前射頻能量收集系統(tǒng)多采用天線作為能量接收前端，但其性能受限于單頻段收集能力與極化敏感性。

2、雖然已有研究通過雙開口菱形嵌套金屬環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了雙頻能量收集，但仍存在雙頻能量無法獨立提取、缺乏高效整流電路設(shè)計等問題，導致實際應(yīng)用中能量轉(zhuǎn)換效率受限。此外，現(xiàn)有方案對電磁波入射角度敏感，大角度斜入射時能量捕獲效率顯著下降，而環(huán)境中的射頻能量往往分布于多個頻段且能量密度較低，單頻或窄帶收集難以滿足實際供電需求。近年來，超表面因具有小型化、高效率和易共型等優(yōu)勢，展現(xiàn)出替代傳統(tǒng)天線的潛力，但其在多頻段協(xié)同收集、寬角度入射穩(wěn)定性等方面的設(shè)計仍面臨挑戰(zhàn)。

3、因此，如何開發(fā)多頻段兼容、角度不敏感的超表面能量收集器成為突破射頻能量收集技術(shù)應(yīng)用瓶頸的關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于超表面的射頻能量收集器，以解決現(xiàn)有技術(shù)收集射頻能量時雙頻段能量無法獨立提取，且當入射角偏移時能量捕獲效率低的問題。

2、為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、第一方面，一種基于超表面的射頻能量收集器，由若干周期超表面單元排列組成，每個所述周期超表面單元包括：金屬諧振結(jié)構(gòu)、介質(zhì)層和金屬底板，介質(zhì)層位于金屬諧振結(jié)構(gòu)和金屬底板之間，金屬諧振結(jié)構(gòu)為雙環(huán)形諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，所述雙環(huán)形諧振環(huán)結(jié)構(gòu)上設(shè)置通孔，且所述通孔貫穿介質(zhì)層和金屬底板，金屬底板上設(shè)置開孔，所述開孔與所述通孔同心且所述開孔的半徑大于所述通孔的半徑，所述開孔連通所述通孔，所述開孔內(nèi)部設(shè)置環(huán)狀金屬片，所述環(huán)狀金屬片連接所述通孔底部，所述開孔和所述環(huán)狀金屬片之間設(shè)置負載。

4、在一些實施方式中，金屬諧振結(jié)構(gòu)包括第一方形諧振環(huán)和第二方形諧振環(huán)，第一方形諧振環(huán)和第二方形諧振環(huán)同心，第一方形諧振環(huán)的邊長大于第二方形諧振環(huán)的邊長。

5、在一些實施方式中，第一方形諧振環(huán)邊長為12.2mm，且線寬為1.55mm，第二方形諧振環(huán)邊長為6.4mm，且線寬為2mm。

6、在一些實施方式中，第一方形諧振環(huán)上設(shè)置第一通孔，第二方形諧振環(huán)上設(shè)置第二通孔，金屬底板上對應(yīng)第一通孔和第二通孔的位置分別設(shè)置第一開孔和第二開孔，所述第一開孔內(nèi)部設(shè)置第一環(huán)狀金屬片，所述第二開孔內(nèi)部設(shè)置第二環(huán)狀金屬片，第一環(huán)狀金屬片連接第一通孔底部，第二環(huán)狀金屬片連接第二通孔底部。

7、在一些實施方式中，所述第一開孔和第一環(huán)狀金屬片之間設(shè)置第一負載，所述第二開孔和第二環(huán)狀金屬片之間設(shè)置第二負載。

8、在一些實施方式中，第一負載和第二負載均為純電阻，第一負載的阻值為918ω，第二負載的阻值為915ω。

9、在一些實施方式中，所述通孔的半徑為0.25mm，所述開孔的半徑為0.5mm。

10、在一些實施方式中，所述周期超表面單元的投影為正方形，所述周期超表面單元的投影邊長為14mm。

11、在一些實施方式中，金屬底板和金屬諧振結(jié)構(gòu)的厚度為0.035mm，且材質(zhì)為銅。

12、在一些實施方式中，介質(zhì)層的厚度為2mm，且材質(zhì)為roger?tmm?10i，其相對介電常數(shù)為10.2，損耗角正切為0.002。

13、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

14、本發(fā)明采用雙環(huán)形諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，形成雙諧振點，通過尺寸差異激發(fā)不同頻段的電磁諧振，實現(xiàn)2.45ghz和5.8ghz的雙頻能量獨立捕獲，能夠覆蓋環(huán)境射頻能量的主要頻段，解決現(xiàn)有技術(shù)單頻收集供電不足問題，實現(xiàn)雙頻段能量獨立捕獲；此外雙環(huán)形諧振環(huán)結(jié)構(gòu)上設(shè)置通孔，金屬底板上設(shè)置開孔，開孔連通通孔，開孔內(nèi)部設(shè)置環(huán)狀金屬片，環(huán)狀金屬片連接通孔底部，開孔和環(huán)狀金屬片之間設(shè)置負載，通過物理隔離實現(xiàn)雙頻能量的獨立傳輸與匹配，避免雙頻信號相互干擾；本發(fā)明采用周期性排列的超表面單元通過相位調(diào)控增強對斜入射波的捕獲能力，增強入射角偏移時的能量捕獲效率。

15、進一步地，金屬諧振結(jié)構(gòu)包括第一方形諧振環(huán)和第二方形諧振環(huán)，第一方形諧振環(huán)和第二方形諧振環(huán)同心，能夠降低電磁波極化方向的敏感性，在寬入射角范圍內(nèi)保持高效能量收集，突破傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)對大角度入射效率驟降的限制。

16、進一步地，第一方形諧振環(huán)和第二方形諧振環(huán)分別對應(yīng)獨立的通孔、開孔和負載，能夠通過物理隔離實現(xiàn)雙頻能量的獨立傳輸與匹配，避免雙頻信號相互干擾，提升能量提取效率，為后續(xù)多頻整流電路設(shè)計提供物理基礎(chǔ)。

17、進一步地，第一負載和第二負載均為純電阻，第一負載的阻值為918ω，第二負載的阻值為915ω，與諧振環(huán)的阻抗特性匹配，確保最大功率傳輸至后端電路，為后續(xù)高效整流電路設(shè)計提供穩(wěn)定輸入。

18、進一步地，通孔的半徑為0.25mm，開孔的半徑為0.5mm，通孔貫穿介質(zhì)層連接環(huán)狀金屬片并連通開孔，能夠擴大電磁場耦合區(qū)域，形成低損耗能量傳輸路徑，減少能量反射與介質(zhì)損耗，提高能量傳輸效率。

19、進一步地，介質(zhì)層選用高介電常數(shù)、低損耗的roger?tmm?10i介質(zhì)板，能夠在縮小諧振結(jié)構(gòu)尺寸的同時抑制熱損耗，在2mm的介質(zhì)層內(nèi)實現(xiàn)強場約束，可以滿足微型無人機的輕量化需求。

技術(shù)特征：

1.一種基于超表面的射頻能量收集器，其特征在于，由若干周期超表面單元排列組成，每個所述周期超表面單元包括：金屬諧振結(jié)構(gòu)（1）、介質(zhì)層（2）和金屬底板（3），介質(zhì)層（2）位于金屬諧振結(jié)構(gòu)（1）和金屬底板（3）之間，金屬諧振結(jié)構(gòu)（1）為雙環(huán)形諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，所述雙環(huán)形諧振環(huán)結(jié)構(gòu)上設(shè)置通孔，且所述通孔貫穿介質(zhì)層（2）和金屬底板（3），金屬底板（3）上設(shè)置開孔，所述開孔與所述通孔同心且所述開孔的半徑大于所述通孔的半徑，所述開孔連通所述通孔，所述開孔內(nèi)部設(shè)置環(huán)狀金屬片，所述環(huán)狀金屬片連接所述通孔底部，所述開孔和所述環(huán)狀金屬片之間設(shè)置負載。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超表面的射頻能量收集器，其特征在于，金屬諧振結(jié)構(gòu)（1）包括第一方形諧振環(huán)（4）和第二方形諧振環(huán)（5），第一方形諧振環(huán)（4）和第二方形諧振環(huán)（5）同心，第一方形諧振環(huán)（4）的邊長大于第二方形諧振環(huán)（5）的邊長。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于超表面的射頻能量收集器，其特征在于，第一方形諧振環(huán)（4）邊長為12.2mm，且線寬為1.55mm，第二方形諧振環(huán)（5）邊長為6.4mm，且線寬為2mm。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于超表面的射頻能量收集器，其特征在于，第一方形諧振環(huán)（4）上設(shè)置第一通孔（7），第二方形諧振環(huán)上設(shè)置第二通孔（6），金屬底板（3）上對應(yīng)第一通孔（7）和第二通孔（6）的位置分別設(shè)置第一開孔和第二開孔，所述第一開孔內(nèi)部設(shè)置第一環(huán)狀金屬片（9），所述第二開孔內(nèi)部設(shè)置第二環(huán)狀金屬片（8），第一環(huán)狀金屬片（9）連接第一通孔（7）底部，第二環(huán)狀金屬片（8）連接第二通孔（6）底部。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于超表面的射頻能量收集器，其特征在于，所述第一開孔和第一環(huán)狀金屬片（9）之間設(shè)置第一負載（11），所述第二開孔和第二環(huán)狀金屬片（8）之間設(shè)置第二負載（10）。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于超表面的射頻能量收集器，其特征在于，第一負載（11）和第二負載（10）均為純電阻，第一負載（11）的阻值為918ω，第二負載（10）的阻值為915ω。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超表面的射頻能量收集器，其特征在于，所述通孔的半徑為0.25mm，所述開孔的半徑為0.5mm。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超表面的射頻能量收集器，其特征在于，所述周期超表面單元的投影為正方形，所述周期超表面單元的投影邊長為14mm。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超表面的射頻能量收集器，其特征在于，金屬底板（3）和金屬諧振結(jié)構(gòu)（1）的厚度為0.035mm，且材質(zhì)為銅。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超表面的射頻能量收集器，其特征在于，介質(zhì)層（2）的厚度為2mm，且材質(zhì)為roger?tmm?10i，其相對介電常數(shù)為10.2，損耗角正切為0.002。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于超表面的射頻能量收集器，屬于射頻能量收集領(lǐng)域，所述射頻能量收集器由若干周期超表面單元排列組成，每個所述周期超表面單元包括：金屬諧振結(jié)構(gòu)、介質(zhì)層和金屬底板，介質(zhì)層位于金屬諧振結(jié)構(gòu)和金屬底板之間，金屬諧振結(jié)構(gòu)為雙環(huán)形諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，雙環(huán)形諧振環(huán)結(jié)構(gòu)上設(shè)置通孔，且所述通孔貫穿介質(zhì)層和金屬底板，金屬底板上設(shè)置開孔，開孔與所述通孔同心且所述開孔的半徑大于所述通孔的半徑，所述開孔連通所述通孔，所述開孔內(nèi)部設(shè)置環(huán)狀金屬片，所述環(huán)狀金屬片連接所述通孔底部，所述開孔和所述環(huán)狀金屬片之間設(shè)置負載。本發(fā)明能夠解決現(xiàn)有技術(shù)收集射頻能量時雙頻段能量無法獨立提取，且當入射角偏移時能量捕獲效率低的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：李軍,賀鈺博,袁歡,馬亞霞,王小華,張建多,王鑫
受保護的技術(shù)使用者：西安微電子技術(shù)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15