基于电磁超材料结构的双频WIFI能量收集装置

技术领域

本发明属能源技术领域，具体涉及一种基于电磁超材料结构的双频WIFI能量收集装置。

背景技术

能源一直以来都是维持人类生活的必需品，能源作为如今科技和经济快速发展的基本要素，越来越难以满足现如今人民日益增长的对美好生活的向往的需求。根据IEA组织统计，世界能量供应为102569TWh(1990)、117687TWh(2000)、133602TWh(2005)、143851TWh(2008)，而能量产出则为11821TWh(1990)、15395TWh(2000)、18258TWh(2005)、20181TWh(2008)。能源需求量的日益增加与当前有限的能源供应是无法匹配的。为多数供电输出提供能量的矿物燃料正在被耗尽。其它传统的典型来源(煤、石油等)，可能将导致环境污染，能源需求的极速增加给能量供应带来了前所未有的冲击，因此，新能源和可再生能源的研究成为一个非常热门的课题。

随着无线网络部署越发完善，以及考虑到能量收集的可行性，比如风力发电，水力发电等对于国内电力系统的巨大贡献，同样可以利用无线传感网络，也就是电磁波进行能量收集。无论是大自然中的电磁波，还是人类利用大自然的能量转换成的电磁波，都可以被循环利用再次转换成可供人类使用的能量。国内现有射频无线能量收集系统多是收集4G信号的，即2.45GHz频段电磁波，但由于5G WIFI信号全国覆盖率大幅上增，5G WIFI信号也成为了可以收集并且能量再利用的一个重要电磁波来源。本发明解决了只能单频吸收2.45GHz的电磁波即4G信号的问题，经过改进设计，本发明可吸收双频信号2.45GHz和5.8GHz的电磁波即5G信号。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明主要是为了响应5G信号时代的发展，设计了一种用于收集2.45GHz和5.8GHz射频能量的电磁超材料贴片天线，可直接给外接负载供电，实现能量的再利用。本发明选择实现双频吸收WIFI能量频段的电磁波，同时收集2.45GHz和5.8GHz频段电磁波。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于电磁超材料结构的双频WIFI能量收集装置，其特征在于：

整体结构设计上，从下至上，包括FR-4介质层、具有电磁超材料结构的金属层和若干二极管；所述FR-4介质层(一种绝缘介质材料，如玻璃纤维布材料)和金属层之间相互贴合，使得该装置具有良好的电磁能量收集能力(本发明的装置即一种基于电磁超材料的双频WIFI能量收集天线)；若干二极管均匀装置于金属层上；金属层的对角处与外接的负载(为任一种可消耗功率的元件)相连；所述金属层包括具有可扩展性的若干电磁超材料单元，等效为LC谐振回路，改变辐射贴片上的电流分布，导致辐射贴片的自然模场分布改变，实现在2.45GHz和5.8GHz的电磁能量收集；所述装置通过增加电磁超材料单元数增加收集到的能量(电磁超材料结构具有可扩展性是指，通过增加电磁超材料单元数可增加收集到的能量)。

所述电磁超材料单元，包括外金属方框和闭合的内金属方框、外金属圆环和内金属圆环；所述外金属方框和内金属方框、外金属圆环和内金属圆环由外至内依次同中心均匀布置；所述若干二极管分别安装于外金属方框上，且若干二极管以能量收集装置结构的几何中心成中心对称分布。

一种优化的技术方案设计为，所述电磁超材料单元设有4个(即本发明实施例结构)：所述4个电磁超材料单元成平移对称布置的整体天线结构；所述外金属方框的四边的中点上均设有第一开槽；4个电磁超材料单元平移对称布置后成“田”字形，共用的边长重叠；所述外金属圆环和内金属圆环均设有第二开槽；但外金属圆环和内金属圆环上的第二开槽的开口为在同一直线上相反方向。

所述二极管设有十二个；所述二极管分别置于4个电磁超材料单元中外金属方框的第一开槽处；所述二极管两端分别与第一开槽处紧密相连；当外金属圆环的第二开槽开口朝上时，二极管的安装均是极性上正下负和左正右负，从而实现收集到的电磁能量直接整流形成从下到上和从右到左的电流，通过整体天线结构的左上角和右下角引出直接供负载使用。所述二极管为支持2.45GHz和5.8GHz频率电磁波直接整流的肖特基二极管。

所述金属层的材质选取铜、银或金(优选铜层)；其厚度均为0.035-0.036mm，FR-4介质层厚度为1-1.5mm。

所述外金属方框与内金属方框均为正方形且窄带宽度均匀，其外金属方框与内金属方框的边长比为6:5；外金属方框与内金属方框的窄带宽度比即d1:d2为1:2；所述内金属圆环的内径与外径比为10:29；外金属圆环内径与外径比为1:2。

优选地，底层金属层和顶部金属层覆铜厚度均为0.035mm，中间介质层厚度为1mm，且二极管为支持2.45GHz和5.8GHz频率的整流二极管，二极管的安装均是极性上正下负和左正右负，从而实现收集到的电磁能量直接整流形成从下到上和从右到左的电流，通过结构的左上角和右下角引出直接供负载使用。

本发明装置的核心技术点如下：

本发明的天线原理可概括为将电磁超材料单元等效为LC谐振回路，改变了辐射贴片上的电流分布和自然模的场分布改变，同时利用二极管直接整流，由此实现对2.45GHz和5.8GHz的双频电磁波能量进行收集并直接给负载供电。具体为：

1、电磁超材料结构：金属铜层(也可使用其他良导体的金属材料，如银、金等)具有电磁超材料结构，通过特定的结构设计和材料选择，实现在2.45GHz和5.8GHz的频段下，电磁波的入射反射率均小于10db。这样的特性使得装置能够有效地吸收周围的WIFI信号能量。

2、基于LC谐振回路的电磁超材料单元：在金属铜层上形成电磁超材料单元，该单元可以等效为LC谐振回路。通过调整该电磁超材料结构的参数，能够改变辐射贴片上的电流分布，导致辐射贴片的自然模场分布改变。通过这种方式，能够实现在不同频段下的双频能量收集效果。表面金属层(优选铜层)包括：四对四端矩形开槽的外金属方框和闭合的内金属方框，四对同心但开槽方向相反的金属圆环，即外金属圆环和内金属圆环。底层金属层和顶部金属层厚度均为0.035mm，中间介质层厚度为1mm。

3、电磁超材料结构具有可扩展性，通过增加电磁超材料单元数可增加收集到的能量。

相较于现有技术，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明设计的电磁超材料结构收集的电磁能量通过结构四周的二极管直接整流，省去了匹配和整流电路，减少了能量的损耗，可直接给负载供电，实现更方便；本发明应用领域十分广泛，能实现高效WIFI能量收集，在物联网、射频识别(RFID)、无线传感器网络(WSN)和能量收集与回收等领域具有很好的应用前景。本发明通过特定的设计和材料选择，能够在2.45GHz和5.8GHz的频段下实现辐射贴片的良好特性，具有较高的实用价值。具体为：

1、本发明的装置，在特定频率下，电磁超材料单元具有接近零的折射率参数，超材料结构可以等效为LC谐振回路，改变了辐射贴片上的电流分布，导致辐射贴片的自然模的场分布改变，从而实现双频或多频工作，天线各项性能优。

2、本发明的装置，以电磁超材料单元为基础进行设计，制作工艺较为简单，且体积较小。相较于现有技术中大多数天线是单频吸收，或者将两个分别吸收2.45Ghz能量和5.8Ghz能量的结构组合在一起，本发明的特点在于通过单一的电磁超材料结构实现2.45Ghz和5.8GHz的双频WIFI能量吸收，具有较高的实用性：在WIFI2.45GHZ和5.8GHZ频段下工作，能够有效对射频能量进行收集，具有良好的频率特性，使用方便且成本低。用户可以通过自身所处的WIFI环境，为移动设备或物联网设备提供稳定的能量供应，无需依赖传统的电池或充电设备，即实现电子设备的无线充电功能。这在无线耳机、智能手表、智能家居设备等电池寿命较短的设备中具有广泛的应用前景。通过利用电磁超材料结构的双频WIFI能量收集装置，可以实现设备的长时间使用，提高用户的便利性和设备的可持续性。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是二极管的连接图；

图3是本发明的侧视图；

图4是本发明的立体图；

图5是本发明对不同频率的电磁波输入反射系数S11的示意图；

图6是本发明对比例的主视图；

图7是本发明对比例对不同频率的电磁波输入反射系数S11的示意图；

图8是本发明的实物测试结果。

图中：1、FR-4介质层；2、金属层；3、负载；4、外金属方框；5、内金属方框；6、外金属圆环；7、内金属圆环；8、二极管。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行进一步地详细阐述。

实施例1

如图1所示，基于电磁超材料结构的双频WIFI能量收集装置(也称收集天线)，从下至上包括FR-4介质层1和金属层2(优选金属铜层)，FR-4介质层1和金属层2之间相互贴合。

金属层2包括：四对外金属方框4(四边长的中点上设有第一开槽)和闭合的内金属方框5；四对同心但开口方向相反(位于同一直线上)的金属圆环，即外金属圆环6和内金属圆环7；以及十二个二极管8，且均匀装置于外金属方框4的第一开槽处。四对外金属方框4、内金属方框5；四对外金属圆环6和内金属圆环7即构成4个电磁超材料单元；4个电磁超材料单元成平移对称布置的整体天线结构；外金属方框4的四边的中点上均设有第一开槽；外金属圆环6和内金属圆环7均设有第二开槽；但外金属圆环和内金属圆环上的第二开槽的开口为在同一直线上相反方向。整体天线结构的对角处(外金属方框4上)与外接的负载3相连。

外金属方框4和内金属方框5、外金属圆环6和内金属圆环7由外至内依次同中心均匀布置；十二个二极管8分别安装于外金属方框4上(与第一开槽位置匹配)，且十二个二极管8以能量收集装置结构的几何中心成中心对称分布；4个电磁超材料单元中的外金属方框4、内金属方框5、外金属圆环6、内金属圆环7成平移对称布置，同一平面上成“田”字形整体结构，外金属方框4共用的边长重叠。

最优选地，表面金属层2覆盖厚度(覆铜、金、银)均为0.035mm，FR-4介质层1厚度为1mm，且二极管8为支持2.45GHz和5.8GHz频率的整流二极管。

外金属方框4的长宽为48mm，窄带宽度d1为1mm；闭合的内金属方框5的长宽为40mm，窄带宽度d2为2mm；内嵌的小开口圆环即内金属圆环7的内径为2mm，外径为5.8mm；内嵌的开口大圆环即外金属圆环6的内径为9mm，外径为18mm；其中第二开槽开口的宽度均为0.5mm。

如图2所示，十二个二极管8均匀布置于外金属方框4的第一开槽处(二极管8两端分别与第一开槽处紧密相连)。二极管8为支持2.45GHZ和5.8GHZ频率的肖特基二极管，二极管8的安装均是极性上正下负和左正右负(方便对照，是指当外金属圆环6的第二开槽开口朝上时，上下左右的对应关系)，从而实现收集到的电磁能量直接整流形成从下到上和从右到左的电流，通过整体天线结构的左上角和右下角引出直接供外接的负载3使用。

如图3所示，基于电磁超材料的双频WIFI能量收集装置的立体结构示意图，从下至上包括FR-4介质层1和金属层2，且FR-4介质层和金属层2之间相互贴合。

如图5所示，为该装置对于电磁波频段在2GHZ-6GHZ的电磁波的反射率，可以观察到在2.45GHZ和5.8GHZ，电磁波的输入反射系数S11均小于10db，故可以较好的收集能量为WIFI频段的电磁能量。

对比例

以下为单频吸收的2.45GHz示例：

如图6所示为一个单频吸收2.45GHz的电磁波的天线结构，该结构由三层材料组成，上表面为ELC单元结构，由两个共用容性缝隙的金属环组成。中间是介质衬底，下表面为金属地。为了传导与收集超表面激发的感应电流，在谐振环的一侧通过金属通孔将顶部、底部的导电层与收集负载进行连接，金属地板与通孔底部之间留出一定的间隙用来放置收集负载，如图6中(b)所示的金属地结构中灰色即为收集负载。上下表面金属层均采用导电率为5.8×107S/m、厚度为35um铜导体。该单元中心工作频率为ISM频段的2.45GHz，单元结构使用介电常数为2.65、损耗角正切tan8为0.0015的聚四氟乙烯复合材料，介质板厚度3mm。单元结构的其他尺寸信息如下：一个单元的整体平面尺寸为20mm×20mm，其中L为介质长度，W为谐振环外部方环间距，容性缝隙为G，环与介质板的空隙定义为K，T1和T2分别为谐振环突出两臂的宽度与长度，收集负载为R，金属化通孔位于外圈方环一半间距处。

如图7所示，为该装置对于电磁波频段在2.3GHZ-3GHZ的电磁波的反射率，可以观察到在2.45GHZ，电磁波的输入反射系数S11均小于10db，故为单频吸收2.45GHz的电磁波的天线结构。

而本发明提供的双频WIFI能量收集装置通过采用特殊设计的方环内嵌分裂双圆环电磁超材料结构，实现了在2.45GHz和5.8GHz频段下良好的吸收性能。相较于对比例，其具有以下优势：

1、一体化设计：本发明的双频能量收集装置采用一体化设计，包括FR-4介质层和具有电磁超材料结构的金属铜层。不需要多个独立的天线单元，节省了空间并简化了安装过程。

2、双频特性：本发明的装置通过电磁超材料结构，能够有效地吸收2.45GHz和5.8GHz频段的WIFI信号能量，提供稳定的供电能力。

3、直接整流：本发明的装置通过二极管直接整流，可直接给负载供电，无需复杂的阻抗匹配和整流电路。

4、性能稳定：通过调整电磁超材料的结构参数，能够精确控制辐射贴片上的电流分布，从而改变辐射贴片的自然模场分布。这使得在2.45GHz和5.8GHz频段下，装置的入射反射率小于10dB，确保良好的能量收集效果。

综上所述，与传统的单频吸收天线相比，本发明的双频WIFI能量收集装置具有一体化设计、宽带特性和性能稳定的优势，能够更好地满足设备对2.45GHz和5.8GHz频段WIFI信号。

实测结果

如图8所示，为本发明制板出来实际测量的图表，测试采用射频发生器和喇叭天线，在射频发生器处于15db的功率，测试样板与喇叭天线距离2cm的情况下，改变射频发生器发送电磁波的频率，并用万用表测量天线两端的电压值。分析图表发现，两峰值点在2.41GHz和5.73Ghz处，与仿真结果有略微偏差，但误差不是很大。同时在2.45GHz处测量电压值5.47V，5.8GHz处测量电压值为2.56V，实测效果较好。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，比如金属层的材料可以是金、银、铜等；衬底可以是FR-4或者其他；电磁超材料可以是单元，也可以是平面阵列或者层叠阵列。当改变超表面单元结构几何尺寸以及介质材料时会影响到结构的工作频率与输入阻抗，对上述参数进行调整可以灵活地设计所需工作频段以及适配负载。