[发明专利]一种针对线源辐射的全向匹配非均匀能量接收表面

说明书

本发明公开了一种针对线源辐射的全向匹配非均匀能量接收表面。由多个方形次波长谐振单元排列而成，第一金属铜片四边的每一边均从各自的中点沿径向开设有四个相同的条形缝隙，第一金属铜片上开设有一个过孔，过孔开设于第一金属铜片的其中一条条形缝隙与第一金属铜片中心之间的径向直线上，过孔贯穿于第一介质层，过孔和第一金属铜片电连接，第二金属铜片上在过孔处同轴开设一个通孔，通孔半径大于过孔半径，过孔和第二金属铜片电连接。本发明结构简单、尺寸小、质量轻，可设计不同的形状和大小，视为均匀介质，对各个角度入射波有极好的能量接收效果，使用时无需破坏原材料本身，可广泛应用于无线能量传输、天线、通讯系统以及电磁屏蔽等军事、民用领域。

技术领域

本发明涉及一种非均匀人工电磁表面，为无线微波能量接收领域，具体涉及一种由非均匀次波长谐振单元规则排列而成的、对特定距离线源的各个角度辐射实现全向匹配能量接收的非均匀表面。

背景技术

微波无线能量传输(Microwave wireless power transmission，MWPT)因其在无线充电和空间太阳能卫星系统等方面的广泛应用前景一直是电气学和微波学中的热门话题。在MWPT系统中，一个关键因素是接收效率，它由用于接收无线能量的接收天线直接决定。传统的接收天线或天线阵列具有一些固有的局限性，例如不可避免的后向散射、不理想的口径效率和无法避免的阻抗失配等，这些因素将导致反射并降低总接收效率。考虑到MWPT系统常要求极高的功率传输效率，因此亟需突破以往的限制，寻求新的微波能量接收方法。

超表面是由单层或多层金属或介质谐振结构组成的次波长厚度的平面超材料，能够在次波长尺度上精确控制电磁传输和散射，可实现如完美吸收、光束整形和相位调制等功能，在成像、天线、通讯系统、电磁对抗与治理以及军事隐身等领域有许多重要的应用。最近，有人提出用这种周期性排列的亚波长谐振器组成的均匀超表面来实现空间匹配的微波能量接收。这种亚波长周期结构显著提高了接收表面的口径效率，同时其对等效波阻抗进行精确设计可以极大消除反向散射，实现更高的接收效率。然而，上述这种均匀能量接收超表面通常仅适用于垂直入射等特定的平面波入射。随着微波能量入射角的增加，阻抗失配快速恶化，对应接收超表面的接收效率也将迅速降低。因此，当辐射能量以非平面波入射时，例如线源入射等，它们作为接收器的性能通常不够理想。在近距离无线能量传输系统中，绝大多数发射源辐射的微波不是平面波，而是趋向于柱面波。因此，如果能实现一种对线源辐射全向匹配接收的接收系统，必将在微波无线能量传输领域产生重要应用。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种针对线源辐射的全向匹配非均匀能量接收表面，可完美接收任意入射角度的电磁波。

本发明采用的技术方案是：

本发明所述非均匀表面主要由单元尺寸小于1/4工作波长的方形次波长谐振单元排列而成，每个次波长谐振单元主要由依次层叠的第一金属铜片、第一介质层和第二金属铜片组成；第一金属铜片四边的每一边均从各自的中点沿径向开设有四个相同的条形缝隙，四个条形缝隙组成两组正交的条形缝隙，每组条形缝隙为两个对称的条形缝隙，第一金属铜片上开设有一个过孔，过孔开设于第一金属铜片的其中一条条形缝隙与第一金属铜片中心之间的径向直线上，第一金属铜片中心点指向过孔中心点的方向为电流方向，过孔贯穿于第一介质层，过孔和第一金属铜片电连接，第二金属铜片上在过孔处同轴开设一个通孔，通孔半径大于过孔半径，过孔和第二金属铜片电连接。

所述的第一金属铜片和第二金属铜片为方形片状，第一金属铜片与第二金属铜片厚度相同，第一金属铜片的边长小于第二金属铜片的边长。

所述的第一介质层为方形块状，第一介质层的厚度大于第二金属铜片的厚度，第一介质层的边长与第二金属铜片的边长相同。

所述的第一介质层中的过孔和通孔的孔壁均敷铜，通孔在第一介质层上围成的环形表面敷铜；第一介质层中的过孔中的敷铜部分朝通孔方向伸出形成管状铜体，管状铜体伸出的长度等于通孔的深度，即等于第二金属铜片的厚度。