[发明专利]基于表面等离激元耦合器的电磁能量收集装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种电磁能量收集装置，尤其涉及一种基于表面等离激元耦合器的电磁能量收集装置，属于新型人工电磁材料、能量收集与回收技术领域，应用于物联网、射频识别（RFID）和无线传感器网络（WSN）等领域。

背景技术

作为物联网的两大核心技术，射频识别（RFID）和无线传感器网络（WSN）已得到国际上学术界和企业界的高度关注，各国政府部门亦积极推进物联网的发展。WSN和RFID等物联网技术已经渗透到各个领域：如国防安全、空间探测、环境监测等。RFID、WSN节点分布范围广、数量多、或工作于不可及的特殊环境中，无线能量供给技术是延长其生命周期、拓宽应用范围的关键技术。环境功率电磁能量转换和收集利用技术收集自由空间的电磁能量，在接收端转换成直流能量。环境电磁能量存在功率密度低（小于-30dBm）且变化范围宽、频带多等特点。在低微功率输入的情况下，整流电路的效率会急剧下降（低于10%），从而降低整个系统的能量转换效率。

新型人工电磁材料是电磁学中新兴的研究领域,由一系列设计的结构单元在亚波长尺度上按照一定规律排列构成。通过改变单元结构设计即可改变新型人工电磁材料的本构关系,为人工控制电磁传播提供了极大的便利。近些年新型人工电磁材料得到了长足的发展,在隐身、天线工程等方面都有广泛的应用，有望应用于电磁能量收集系统中。但是目前空间电磁波的功率密度低，不易实现高效的电磁能量收集。

发明内容

本发明的目的在于本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种基于表面等离激元耦合器的电磁能量收集装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于表面等离激元耦合器的电磁能量收集装置，包括介质基板、设置于介质基板上表面的微带线和超表面，所述超表面的折射率从靠近微带线向远离微带线方向梯度减小；所述微带线和超表面均为亚波长尺寸。

进一步地，所述超表面由一个以上纵向分布的梯度折射率超表面单元组成；所述各梯度折射率超表面单元的折射率从靠近微带线向远离微带线方向梯度减小。

更进一步，所述各梯度折射率超表面单元的结构相同。

更进一步，所述各梯度折射率超表面单元均由一个以上横向分布的H型结构单元组成，所述梯度折射率超表面单元中各H型结构单元的尺寸从靠近微带线向远离微带线方向梯度减小。

进一步地，所述微带线由一条以上刻槽金属带组成。

更进一步，所述各刻槽金属带的尺寸从靠近微带线向远离微带线方向梯度减小。

本发明采用上述技术方案，取得的有益效果在于：

1、本发明采用梯度折射率的超表面实现渐变的相位变化，实现了空间传播波和表面等离激元的高效耦合。

2、本发明的超表面结构在列排布上设计尺寸不变，可以进一步实现同相位的表面波叠加，进而增强表面波的能量，可以显著提高入射空间电磁波的功率密度。

3、本发明的多条刻槽微带线能够将表面波同相汇聚增强，对空间低微电磁能量起到汇聚效果，提高入射空间电磁波的功率密度，进一步提高整流电路的输入功率，从而提高整个系统的整流效率。

附图说明

图1是本发明的实施例的俯视图；

图2是本发明的实施例的侧视图；

图3是本发明实施例的折射率梯度超表面的俯视图；

其中1-介质基板，2-微带线，3-超表面，4-H型结构，5-位于介质基板下的接地板，6-介质厚度，7-金属厚度，8-H型结构的周期，9-H型结构的高度，10-H型结构中竖向金属条的宽度，11-H型结构中横向金属条的宽度，12-H型结构中横向金属条的高度，13-H型结构中竖向金属条的高度。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例，对本发明做进一步阐述。

实施例：

参见图1和图2，一种基于表面等离激元耦合器的电磁能量收集装置，包括介质基板1、设置于介质基板1上表面的微带线2、超表面3和位于介质基板下的接地板，所述超表面3的折射率从靠近微带线向远离微带线方向梯度减小；所述微带线2和超表面3均为亚波长尺寸。

进一步地，所述超表面3由一个以上纵向分布的梯度折射率超表面单元组成；所述各梯度折射率超表面单元的折射率从靠近微带线向远离微带线方向梯度减小。

更进一步，所述各梯度折射率超表面单元的结构相同。