[发明专利]偏振不敏感的超材料微波能量捕获器

说明书

技术领域

本发明涉及微波超材料领域，特别涉及一种基于材料的偏振不敏感的 超材料微波能量捕获器。

背景技术

电磁波能量捕获、收集是新兴的尖端技术，也是无线供能的一个新趋 势。目前随着超低功率传感器、微型无线穿戴设备和植入式电子设备的发 展，现有的电池和有源供能系统的缺陷也越来越明显。通过收集环境中的 电磁波如微波、射频能量供能也体现绿色环保的理念。现有的微波、射频 能量收集装置大都利用传统的天线作为收集装置，而本发明利用超材料捕 获电磁波能量比用传统天线收集到的能量更大、并且具有可叠加性，即每 个单元收集的能量可叠加，更具有实用性。不同于先前超材料吸收器的设 计，这种超材料对能量的捕获、收集是通过所负载的电阻实现而不是通过 介电材料。因此，这类新型的超材料捕获、收集器可在无线充电、空间太 阳能发电、射频信号收集等领域展现巨大的应用前景。

超材料是一种人工超介质复合材料，超材料吸波结构的工作频段取决 于超材料结构几何尺度的大小，对于相同的形状，改变结构的几何尺度， 其中心频率和工作频段都会发生改变。利用其电磁参数的可设计性和可调 控性来得到更好的吸收效果。早期人们研究主要集中在左手材料上，它是 一种可以人工设计、满足特定等效介电常数和磁导率要求的电磁材料。超 材料可以实现常规材料所不能实现的特性，例如隐身衣、超透镜等，还可 以改善现有设备的性能，在电磁隐身、通信系统和成像技术等领域有着极 其重要的应用。

2012年，加拿大滑铁卢大学的O.M.Ramahi等人首次提出加载集总 电阻的开缝环结构超材料，并进行了数值模拟，在6GHz附近仿真得到的能 量捕获效率达到50％。随后美国杜克大学A.M.Hawkes等提出的级联形式 超材料捕获器，在900MHz附近能量捕获效率仿真值为65％，并进行了实验 测试，其测试值达到36.8％。接着，加拿大滑铁卢大学的T.S.Almoneef 提出了三维堆叠形式超材料捕获电磁波的效率理论值能接近100％。他们课 题组又提出花型结构和方环结构微波超材料，并进行了实验验证，其捕获 微波能量效率实验值能达到93％。随着研究的进一步深入，通过超材料微 结构单元的设计，电磁波能量捕获效率得到显著的提升。尽管如此，当前 设计的基于超材料的电磁波能量捕获器对电磁波的偏振敏感的。也就是说 设计的超材料只对特定偏振方向的电磁波能量具有捕获能力，当入射电磁 波偏振方向发生改变时，其作用就减弱或消失了。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种对电磁波偏 振不敏感，效率高的超材料微波能量捕获器。

本发明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，具有这样的特征， 包括：表层金属膜，由至少一个表层金属单元均匀排列成平面阵列构成； 贴片电阻，镶嵌在表层金属单元上；中间介质层，与表层金属膜相贴合； 以及底层金属膜，由至少一个底层金属单元均匀排列成平面阵列构成，与 表层金属膜一一对应，与中间介质层相贴合，其中，表层金属单元为正方 环形结构，内环具有四个内环锯齿线，分别对称设置在内环的四条边的中 心位置，底层金属膜为正方环形结构。

本发明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，还具有这样的特 征：其中，表层金属单元通过设置在边缘的过孔与底层金属单元固定。

本发明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕获器，还具有这样的特 征：其中，表层金属单元，边长分别为边长p_x和边宽p_y，底层金属单元， 边长分别为边长p_x和边宽p_y，表层金属单元的内环边长为内环边长l，表 层金属单元的内环边宽为表层内环变宽w，内环锯齿线的宽度为锯齿线宽 w₀，相对的两个内环锯齿线之间的宽度为缝隙宽度g，中间介质层过孔的半 径为半径r₀，中间介质层的厚度为介质厚度t_s，底层金属单元的内环边长 为底层内环边长l_l，底层金属单元的内环边宽为底层内环结构边宽w₁，表 层金属膜的厚度为厚度t_m底层金属膜的厚度为膜厚度t_m。