超材料整流表面的制作方法

本發明涉及微波能量傳輸技術，特別涉及一種基于超材料的微波整流表面。

背景技術：

作為微波應用技術之一，微波無線能量傳輸是以微波為載體，通過發射天線和接收整流設備進行微波能量的發射和接收，實現遠距離的能量無線傳送，在空間太陽能電站等諸多領域有廣闊的應用前景。

微波無線能量傳輸系統中，整流天線是當前常用的能量接收整流設備，它由接收天線和整流電路組成。它通過接收天線捕獲空間中微波能量，再由整流電路將微波能量轉換為直流能量并輸出。整流天線通常體積龐大，組裝復雜，并且實現接收天線和整流電路之間良好的阻抗和功率匹配有相當大難度。

微波整流表面是一種新型微波能量接收和整流結構，它由若干超材料(Metamaterials)單元組成，這些單元是對微波電磁場產生強烈諧振的周期結構。超材料單元連接小型化的整流電路(由整流二極管、微帶線及電阻、電感和電容等外圍元器件組成)，可以實現接收空間微波能量并轉化為直流輸出的功能。相對比傳統整流天線，微波整流表面結構緊湊，理論上可實現對空間微波能量更高的接收和整流效率。

2015年在《Applied Physics Letters》中發表的論文“Metamaterial electromagnetic energy harvester with near unity efficiency”(106,153902)介紹了一種超材料能量采集裝置，能對入射微波進行接近完全的吸收，但該裝置中采用電阻而不是整流二極管，不能將接收的微波能量轉換成直流能量。2014年在《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》中論文“Optimal Matched Rectifying Surface for Space Solar Power Satellite Applications”(Vol.62,No.4)介紹了一種微波整流表面，但該微波整流表面將整流二極管集成在正面的超材料單元中，由于整流二極管暴露在入射微波場，對二極管工作狀態有難以預測的影響。此外，該微波整流表面中整流電路過于簡單，不夠完善，只能工作在低功率密度微波能量入射狀態下，且整流效率很低，不具備工程應用價值。

下面簡單介紹一下本發明涉及的三個技術名詞：超材料、微波整流電路和微帶結構。

超材料是指具有天然材料所不具備獨特物理性質的人工復合結構或復合材料。例如具有負介電常數和負磁導率的左手材料、頻率選擇表面(Frequency Selective Surface,FSS)、高阻表面(High Impedance Surface)等。超材料的獨特電磁特性使其得到了廣泛應用，包括空間無線能量收集。

微波整流電路通常由整流二極管、微帶線及電阻、電感和電容等外圍元器件組成，將輸入的交變信號轉換成直流信號。

微帶結構包括介質基板和金屬層，金屬層通常是通過涂敷工藝在介質基板表面形成的金屬涂覆層或采用黏貼工藝形成的金屬貼片層。金屬層可以形成于介質基板的一面或兩面，如常用的單面和雙面印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)。為了實現各種功能，通常在金屬層上通過刻蝕、剪貼工藝制成各種微帶單元，如保留在介質基板表面的各種形狀的金屬塊(稱為微帶貼片)或在金屬層形成的各種形狀的微帶縫隙(去掉金屬部分而露出介質基板的圖案)，這些微帶單元具有不同的功能，可以構成微帶濾波器、微帶耦合器、微帶傳輸線、微帶天線等。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題，就是提供一種基于超材料的整流表面，利用微帶結構構成的超材料單元，集成整流電路對入射微波能量進行接收和整流。

本發明解決所述技術問題，采用的技術方案是，超材料整流表面，包括介質基板、n個微帶結構單元和n個整流單元；所述n個微帶結構單元布置在所述基板正面，所述n個整流單元布置在所述基板背面；所述n個微帶結構單元接收電磁波能量并傳輸到對應的n個整流單元，所述微帶結構單元由微帶縫隙和/或微帶貼片構成，所述微帶結構單元與自由空間阻抗匹配，所述微帶結構單元與對應整流單元阻抗匹配；所述n個整流單元串聯和/或并聯輸出直流電；n為整數，n≥2。

本發明的技術方案，采用微帶結構單元對入射電磁波進行吸收，并將吸收的電磁能量最大化導入背面的整流電路進行整流。本發明利用微帶結構單元構成超材料，具有與自由空間波阻抗匹配的特性，對電磁波具有強烈的吸收和極小的反射，通過改變微帶結構單元中微帶縫隙和/或微帶貼片的參數，如形狀、大小、位置等，可以對微帶結構單元的工作頻率進行調整，實現對電磁波的最大化吸收。由于可供調整的參數比較多，本發明可以為高品質整流表面提供更大的設計自由度。本發明利用n個整流單元通過串聯和/或并聯輸出直流電，可以根據實際需要進行組合，實現不同電壓和電流的輸出，為后續電能的處理帶來極大的方便。

本發明的超材料整流表面采用微帶結構作為電磁波捕獲單元，與微帶整流天線形式上有類似的地方，但其工作原理和設計思路完全不同。在微波能量傳輸領域，天線(包括微帶天線)的設計是以增益、方向圖、口徑/輻射效率等性能指標為導向。而微帶結構構成的超材料單元是以實現兩項阻抗匹配，即超材料單元與自由空間的阻抗匹配和超材料單元與整流電路之間阻抗匹配為設計導向。由于超材料單元與整流電路之間直接連接，既無法定義，也無法測試增益、方向圖、口徑/輻射效率等性能指標。其次，超材料單元的尺寸一般為1/14至1/4工作波長，遠遠小于微帶天線的單元尺寸(通常為1/2工作波長)。

優選的，所述微帶結構單元尺寸≤λ/4，λ為所述電磁波波長。

優選的，所述微帶結構單元諧振于所述電磁波頻率。

優選的，所述n個微帶結構單元排列成i×k的陣列；i、k為整數，i×k＝n。

可選的，所述n個微帶結構單元結構相同或不同。

可選的，所述n個微帶結構單元之間距離相同或不同。

具體的，所述整流單元由微帶線及連接的貼片整流元件構成。

具體的，所述整流單元工作頻率與所述電磁波頻率相同。

本發明的整流單元采用微帶貼片構成電路，利用微帶結構單元吸收的電磁波能量進行整流輸出，通過改變微帶貼片的形狀、大小和位置調整工作頻率，實現對應頻率交變電流的整流，能夠實現更高效率的整流輸出。結合整流元件參數的調整，可以為高品質整流表面提供更大的設計自由度。

特別的，所述整流表面安裝在支撐體表面，所述基板為柔性基板可以與所述支撐體表面共形。

優選的，所述支撐體為飛行器。

本發明的有益效果是，能夠高效率吸收正面入射的電磁波；吸收的電磁波能夠最大程度被轉換成直流輸出。本發明整流電路位于整流表面的背面，不受入射電磁能量的干擾，且有足夠的空間進行設計和調節，有助于無線能量傳輸系統工作在大功率密度下，獲得最大系統效率。本發明的技術方案可以應用于各種無線能量傳輸系統，并且工程上實施簡便易行。本發明的超材料單元和整流電路都可以通過在介質基板表面形成微帶結構構成，可采用多層板印刷電路工藝進行加工制作，具有成本低、加工精度高和易于大批量制作的優點。本發明可以通過對微帶結構的適當設計，實現針對不同頻率和不同入射能量密度的接收和整流，并保持較高的接收效率和整流效率。本發明的輸出電流和電壓，可以根據需要進行串聯和/或并聯輸出。

附圖說明

圖1是實施例1的正面示意圖；

圖2是實施例1的任意一微帶結構單元示意圖；

圖3圖2所示微帶結構單元對應的整流電路示意圖；

圖4是圖2的P-P剖視圖；

圖5是實施例1整流表面的整流效率示意圖。

圖中，1為微帶結構單元；10為微帶貼片；11為金屬過孔；12為上層基板；2為整流單元；20為微帶貼片電路走線；21為金屬盲孔；22為下層基板，23為金屬地；24為金屬地挖空；25為貼片二極管；26為貼片電容；27為貼片電阻。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例，詳細描述本發明的技術方案。

本發明利用介質基板表面分布的n個大小、形狀、距離相同或不同的微帶結構單元，布置于入射電磁波正對方向，通過調整微帶結構單元的形狀、大小、位置，改變對特定頻率電磁波的反射和透射特性，使其反射最小，吸收最大。本發明的整流電路位于整流表面的背面，不受入射電磁能量的干擾，通過調整整流電路的形狀、大小和位置，實現最大化直流能量的輸出。

實施例1

本例超材料整流表面正面如圖1所示，整個整流表面為邊長T＝120mm的正方形。其中包括36個尺寸相同的微帶結構單元1及其對應的36個整流單元2。36個微帶結構單元排列成6×6的矩陣，每個微帶結構單元邊長L＝20mm，約為入射電磁波頻率2.45GHz對應波長的1/6。參見圖2、圖3和圖4所示，本例微帶結構單元1包括微帶貼片10、金屬過孔11、基板12。圖2中，露出基板12的部分可以看成是微帶縫隙。基板12介電常數為2.65，厚度為3mm。圖中標注的主要尺寸為：a＝18.1mm，b＝13.4mm，c＝9mm，g＝1.1mm，w1＝1.4mm，w2＝1.1mm。通過調整這些尺寸，以及微帶結構單元1之間的距離、位置等，可以非常方便的調整微帶單元的工作頻率，使其諧振于入射電磁波的頻率，實現電磁波的最大化接收。本例整流單元2具有微帶結構，由一塊厚度為1mm，介電常數為2.65的下層基板22及其表面分布的微帶貼片電路走線20、金屬盲孔21、金屬地23、金屬地挖空24構成，如圖3所示。圖3中，微波整流二極管25為貼片二極管(型號為HSMS-282B)、貼片電容26(10pF)、貼片電阻27(850Ω)構成本例的整流元件。圖3中標注的主要尺寸為：a1＝6.3mm，b1＝10.4mm，c1＝7.05mm，d＝1mm，g1＝4.15mm，h＝2.05mm，j＝0.5mm。通過調整上述尺寸以及整流元件的參數等，可使整流單元的工作頻率等于接收的電磁波頻率，實現整流效率的最大化。圖4所示的剖視圖中可以看到，金屬過孔11穿過上層基板12、金屬地挖空24和下層基板22，將微帶貼片10和微帶貼片電路走線20連接起來，將微帶結構單元1吸收的微波能量傳遞到整流單元2。金屬盲孔21穿過下層基板22，將微帶電路走線20和金屬地23連接，形成本單元電路回路，金屬盲孔21與金屬過孔11之間的距離c＝9mm。

本例超材料整流表面，接收電磁波的36個微帶結構單元可以采用一張單面印刷電路板加工制成，對應的36個整流單元可以制作在一張雙面印刷電路板上。兩張電路板制作完成后按照圖4所示位置關系進行重疊安裝，并完成后盲孔、過孔及貼片元件的裝配。整個生產流程與普通印刷電路板制作工藝基本相同，可以采用現行成熟技術和工藝，降低生產成本和提高生產效率。

由圖5所示的本例超材料整流表面整流效率示意圖可見，由正面的超材料單元和背面的整流單元組成的整流表面，非常適合用于提高微波能量傳輸系統的微波轉換效率。本例入射電磁波為頻率2.45GHz的微波，在入射功率密度為5mW/cm²時，整流效率達到66.9％。改變上述微帶結構單元1中微帶貼片10結構尺寸和整流單元中微帶貼片電路走線20的尺寸，以及貼片電容26、貼片電阻27的值，可以調整整流表面的工作頻率和最佳工作入射功率密度。

由于本發明的微帶結構單元尺寸遠遠小于工作頻率對應波長(通常為1/14～1/4)，微帶結構單元通常都非常小，即使基板有一定的變形，對微帶結構單元的形狀影響也不大，其電磁波傳輸特性基本不會發生大的變化。在上述實施例中，如果采用柔性基板，可以將整個整流表面安裝到具有一定曲率的支撐體表面，并使整流表面與支撐體表面共形。這樣本發明就可以非常方便的安裝到各種飛行器的表面，而不會改變飛行器的空氣動力學特征，非常適用于對飛行器，如無人機等的微波供能，極大地延長無人機的滯空時間。