[发明专利]基于热电偶的纳米天线辐射效率测试方法

说明书

本发明公开了一种测定螺旋纳米天线辐射效率的方法，主要解决现有技术的对纳米天线辐射效率测量值低的问题。其实现方案是:在设定波长的光波照射下，产生天线馈电端的感应电流；基于多物理场仿真软件对银螺旋纳米天线进行电磁仿真，获得感应电流I的幅值随波长的变化情况；再将感应电流馈入纳米天线中心的热结电阻处，对热电偶进行仿真，得到热结与环境的温差ΔT；再根据温差ΔT和塞贝克系数得到热电偶冷端的开路电压；根据感应电流和开路电压求出接收功率，从而算出银螺旋纳米天线的辐射效率。本发明的通过热电偶来间接实现对银螺旋纳米天线辐射效率的准确测量，可用于太阳能收集系统。

技术领域

本发明属于测试技术领域，特别涉及一种纳米螺旋天线辐射效率测试方法，可用于太阳能收集系统。

背景技术

目前市场上出现的太阳能电池都是基于半导体的光生伏打效应，即利用光的粒子性，而由爱因斯坦提出的光的波粒二象性，可以根据光的波动性利用天线吸收太阳光，再将天线产生的高频交流电整流成直流电供外载使用。美国的Bailey于1972年提出了首个天线太阳能电池的模型。1984年，Marks给出了一种新的整流天线结构，由偶极子阵列和全波整流器构成。目前国际上对于整流天线太阳能电池的研究尚处于基础理论与试验中，实物天线电池尚未出现。纳米整流天线的转换效率包括天线接收效率、天线与二极管之间的阻抗匹配效率以及整流效率。而首要的研究问题就是天线的接收效率，根据天线互易性定理，天线接收效率即为天线的辐射效率。Vandenbosch and Ma首先研究了置于基底介质上的五种金属材料的250nm偶极子天线，仿真结果给出了波长在400-1400nm范围五种金属材料的天线总辐射效率：银61.6％、铝50.3％、金34.3％、铜29.5％、铬9.4％，银展现出最高的辐射效率。而后，出现了花型金偶极子天线，其总辐射效率较Vandenbosch and Ma提出的金偶极子提高了32.7％。上述提出的天线都是线极化的，而太阳光是任意极化的，因此照射到它们的太阳功率密度将减半，即上述天线的辐射效率都将减半。在射频领域，螺旋天线被认为是与极化无关的宽频天线。由于这些特点，已有研究者将螺旋天线应用于能量的收集。然而存在不足：1.大部分的螺旋纳米天线研究集中于近红外频段，并没有真实地覆盖整个太阳光谱，而且其主要研究该类天线的近场特性—由表面等离激元导致的螺旋单元间隙处的电场增强效应。2.目前尚无研究者对螺旋纳米天线的辐射效率进行研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于热电偶的纳米光学天线辐射效率测试方法，以解决上述现有技术不能对收集太阳能的螺旋纳米天线辐射效率测定的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)使用一个银螺旋纳米天线收集太阳能；

(2)在天线馈电间隙处增设一个偶极子天线，该偶极子天线其中一根臂由钛线组成，另外一根臂由镍线组成以构成热电偶；

(3)用平面波照射银螺旋纳米天线，产生感应电流，基于多物理场仿真软件COMSOLMutiphysics，对银螺旋纳米天线进行电磁仿真，获得感应电流I的幅值随波长的变化情况；

(4)将感应电流馈入纳米天线中心的热结电阻处，对热电偶进行仿真，得到温度随时间变化的分布图，观察电流馈入30秒的温度分布情况，得到热结与环境的温差ΔT；

(5)根据热结与环境的温差ΔT，得到热电偶冷结端的开路电压V_OC；

(6)根据冷结端开路电压V_OC计算天线接收功率P₀。

(7)根据天线接收功率P₀计算纳米天线辐射效率：其中P₁表示太阳辐射功率。