[发明专利]一种基于超材料的高频电磁能量采集器

说明书

本发明公开了一种基于超材料结构的高频电磁能量采集器。所述基于超材料的高频电磁能量采集器具体组成单元为超材料响应基元，可以单个工作，也可多个级联工作。所述超材料响应基元具体包括电磁谐振结构和能量转换结构。在采集能量时，电磁谐振结构与电磁波作用产生所需的局域电场和磁场，电、磁场共同作用于该区域的能量转换结构，使得其中的自由载流子受到洛伦兹力直流分量作用而发生定向偏转，从而使得在能量转换结构两端边界形成电势差。通过在能量转换结构两端接入储能模块，便可以利用该电势差实现能量储存，从而完成高频电磁能量采集。本发明提出的高频电磁能量采集器具有频段通用、结构简单、无需整流电路、便于集成、室温工作等优点。

技术领域

本发明属于电磁能量采集技术领域，特别涉及一种基于超材料的高频电磁能量采集器。

背景技术

随着社会发展，能源的需求变得愈发凸显。电磁能作为主要的能量形式之一，其合理的采集、传输和使用是能源领域和电磁领域的长期研究和应用热点。其中，如何有效地采集电磁波能量是研究人员一直以来关注的核心问题之一。如果可以实现有效的高频电磁能量采集，我们既可以对环境中的辐射电磁波进行采集，也可以实现点对点的无线能量传输。高频整流是电磁能量采集中的物理基础，目前在微波段常采用天线结合二极管进行整流从而采集能量，但是该种方法在更高的频率中应用受到限制；而在光波段目前人们常用半导体结实现能量采集转换，但是结构复杂并且对材料本身要求严格，并且能量采集速度在根本上受到限制。因此发展一种频段通用而结构简单的方法来实现高频电磁能量采集有重要的应用意义。另一方面，一种人工结构-超材料的迅速发展，为我们提供了一种控制电磁波的手段。根据超材料的设计思想，我们可以开发一种新的技术路线实现高频电磁能量采集，同时基于超材料的亚波长尺寸特点，可以有效地将高频电磁能量采集器集成于电子微系统、植入式电子设备中。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于超材料的高频电磁能量采集器。

本发明所提供的基于超材料的高频电磁能量采集器，至少包括一个超材料响应基元。

本发明所提供的基于超材料的高频电磁能量采集器，可以仅由单个超材料响应基元组成，也可以阵列形式工作。单个超材料响应基元体积更小，有利于集成化和小型化应用场景；多个超材料响应基元构成的阵列可以累积能量，提高能量收集效率。

所述超材料响应基元是由电磁谐振结构和能量转换结构组成，整体结构设置于低损耗衬底上。当该超材料响应基元受到高频电磁波的激励时，所述电磁谐振结构将会在局域形成增强的电场和磁场。所述能量转换结构位于电磁谐振结构产生的局域增强电磁场区域内，由于电场和磁场的共同作用，能量转换结构的自由载流子将会受到洛伦兹力而发生偏转运动。该运动中包含一个方向不变的直流运动分量，使得带电自由载流子将会定向运动，并最终在能量转换结构的物理边界处发生聚集，从而形成直流电压，完成高频电磁波到直流电信号的高频整流过程。通过在能量转换结构的两端布置电路引线，并接入储能模块中，就可以对储能模块进行充电，从而完成能量的采集。

所述电磁谐振结构的几何尺寸通常小于目标电磁波的波长，为亚波长尺寸，其主要作用是与目标电磁波谐振，产生所需的局域电场和磁场。所述电磁谐振结构在形状方面没有固定的形状要求，可以是几何连续的，也可以是分立的多个结构联立构成。凡是满足上述电磁谐振和电磁场增强要求的结构，均可以用来充当此处的电磁谐振结构。根据本发明的一个实施例，如图1所示，所述电磁谐振结构由一个U形金属环构成，在U形环内部和部分外部区域均可以产生所需的局域电磁场，因此可以放置能量转换结构。

所述电磁谐振结构的材料选择，须满足电磁谐振对材料的要求，可以是金、银、铜、铝等良导体金属，也可以是重掺杂或不掺杂的硅、锗、磷化镓等半导体，也可以是二氧化钛、钛酸钡、氧化铝、氮化硅、碳化硅、钛酸钙、钛酸锶钡等介质材料。所述重掺杂或不掺杂的半导体中掺杂的元素包括硅元素、硼元素、磷元素、砷元素、镓元素等。