偏振不敏感的超材料微波能量捕獲器的制造方法
【技術領域】
[0001 ]本發(fā)明涉及微波超材料領域，特別涉及一種基于材料的偏振不敏感的超材料微波能量捕獲器。
【背景技術】
[0002]電磁波能量捕獲、收集是新興的尖端技術，也是無線供能的一個新趨勢。目前隨著超低功率傳感器、微型無線穿戴設備和植入式電子設備的發(fā)展，現(xiàn)有的電池和有源供能系統(tǒng)的缺陷也越來越明顯。通過收集環(huán)境中的電磁波如微波、射頻能量供能也體現(xiàn)綠色環(huán)保的理念。現(xiàn)有的微波、射頻能量收集裝置大都利用傳統(tǒng)的天線作為收集裝置，而本發(fā)明利用超材料捕獲電磁波能量比用傳統(tǒng)天線收集到的能量更大、并且具有可疊加性，即每個單元收集的能量可疊加，更具有實用性。不同于先前超材料吸收器的設計，這種超材料對能量的捕獲、收集是通過所負載的電阻實現(xiàn)而不是通過介電材料。因此，這類新型的超材料捕獲、收集器可在無線充電、空間太陽能發(fā)電、射頻信號收集等領域展現(xiàn)巨大的應用前景。
[0003 ]超材料是一種人工超介質(zhì)復合材料，超材料吸波結構的工作頻段取決于超材料結構幾何尺度的大小，對于相同的形狀，改變結構的幾何尺度，其中心頻率和工作頻段都會發(fā)生改變。利用其電磁參數(shù)的可設計性和可調(diào)控性來得到更好的吸收效果。早期人們研究主要集中在左手材料上，它是一種可以人工設計、滿足特定等效介電常數(shù)和磁導率要求的電磁材料。超材料可以實現(xiàn)常規(guī)材料所不能實現(xiàn)的特性，例如隱身衣、超透鏡等，還可以改善現(xiàn)有設備的性能，在電磁隱身、通信系統(tǒng)和成像技術等領域有著極其重要的應用。
[0004]2012年，加拿大滑鐵盧大學的0.M.Ramahi等人首次提出加載集總電阻的開縫環(huán)結構超材料，并進行了數(shù)值模擬，在6GHz附近仿真得到的能量捕獲效率達到50%。隨后美國杜克大學A.M.Hawkes等提出的級聯(lián)形式超材料捕獲器，在900MHz附近能量捕獲效率仿真值為65 %，并進行了實驗測試，其測試值達到36.8 %。接著，加拿大滑鐵盧大學的T.S.Almoneef提出了三維堆疊形式超材料捕獲電磁波的效率理論值能接近100 %。他們課題組又提出花型結構和方環(huán)結構微波超材料，并進行了實驗驗證，其捕獲微波能量效率實驗值能達到93%。隨著研究的進一步深入，通過超材料微結構單元的設計，電磁波能量捕獲效率得到顯著的提升。盡管如此，當前設計的基于超材料的電磁波能量捕獲器對電磁波的偏振敏感的。也就是說設計的超材料只對特定偏振方向的電磁波能量具有捕獲能力，當入射電磁波偏振方向發(fā)生改變時，其作用就減弱或消失了。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種對電磁波偏振不敏感，效率高的超材料微波能量捕獲器。
[0006]本發(fā)明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕獲器，具有這樣的特征，包括:表層金屬膜，由至少一個表層金屬單元均勻排列成平面陣列構成;貼片電阻，鑲嵌在表層金屬單元上；中間介質(zhì)層，與表層金屬膜相貼合；以及底層金屬膜，由至少一個底層金屬單元均勾排列成平面陣列構成，與表層金屬膜--對應，與中間介質(zhì)層相貼合，其中，表層金屬單元為正方環(huán)形結構，內(nèi)環(huán)具有四個內(nèi)環(huán)鋸齒線，分別對稱設置在內(nèi)環(huán)的四條邊的中心位置，底層金屬膜為正方環(huán)形結構。
[0007]本發(fā)明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕獲器，還具有這樣的特征:其中，表層金屬單元通過設置在邊緣的過孔與底層金屬單元固定。
[0008]本發(fā)明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕獲器，還具有這樣的特征:其中，表層金屬單元，邊長分別為邊長Px和邊寬Py，底層金屬單元，邊長分別為邊長Px和邊寬Py，表層金屬單元的內(nèi)環(huán)邊長為內(nèi)環(huán)邊長I，表層金屬單元的內(nèi)環(huán)邊寬為表層內(nèi)環(huán)變寬W，內(nèi)環(huán)鋸齒線的寬度為鋸齒線寬W0，相對的兩個內(nèi)環(huán)鋸齒線之間的寬度為縫隙寬度g，中間介質(zhì)層過孔的半徑為半徑H)，中間介質(zhì)層的厚度為介質(zhì)厚度ts，底層金屬單元的內(nèi)環(huán)邊長為底層內(nèi)環(huán)邊長11，底層金屬單元的內(nèi)環(huán)邊寬為底層內(nèi)環(huán)結構邊寬W1，表層金屬膜的厚度為厚度U底層金屬膜的厚度為膜厚度U。
[0009]本發(fā)明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕獲器，還具有這樣的特征:其中，邊長Px和邊寬Py的范圍為2mm?40mm，表層內(nèi)環(huán)邊長I的范圍為Imm?30mm，表層內(nèi)環(huán)邊寬w的范圍為0.4mm?8mm，鋸齒線寬wo的范圍為0.1mm?4mm，縫隙寬度g的范圍為0.3mm?10mm，半徑ro的范圍為0.05mm?2mm，介質(zhì)厚度ts的范圍為Imm?15mm，底層內(nèi)環(huán)邊長Ii的范圍為2mm?40mm，底層內(nèi)環(huán)邊寬Wi的范圍為Imm?15mm，膜厚度tm的范圍為0.0lmm?0.1mm。
[0010]本發(fā)明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕獲器，還具有這樣的特征:其中，中間介質(zhì)層為介電材料，其相對介電常數(shù)實部的范圍為I?15。
[0011]本發(fā)明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕獲器，還具有這樣的特征:其中，貝占片電阻的大小范圍為50歐姆?3000歐姆。
[0012]本發(fā)明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕獲器，還具有這樣的特征:其中，貝占片電阻鑲嵌在表層金屬單元的開縫處。
[0013]本發(fā)明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕獲器，還具有這樣的特征:其中，表層金屬膜通過印刷電路板工藝覆蓋于中間介質(zhì)層之上。
[0014]本發(fā)明提供的偏振不敏感的超材料微波能量捕獲器，還具有這樣的特征:其中，表層金屬單元和底層金屬單元為具有嚴格幾何對稱性的周期性結構。
[0015]發(fā)明作用和效果
[0016]根據(jù)本發(fā)明所涉及的偏振不敏感的超材料微波能量捕獲器，能實現(xiàn)接近完美微波捕獲能力的偏振不敏感的能量捕獲器，能夠捕獲、收集周圍環(huán)境中的射頻波段，雷達波段的電磁能量，有望在無線電能量充電，高效無線電能傳輸、以及隱身等領域產(chǎn)生廣泛的應用；設計的電磁能量捕獲器將在環(huán)境科學、信息、國家安全及基礎物理研究領域有著廣闊的應用價值，將會帶來巨大社會經(jīng)濟效應。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明在實施例中偏振不敏感的超材料微波能量捕獲器的結構示意圖；
[0018]圖2是本發(fā)明在實施例中表層金屬單元的正視圖；
[0019]圖3是本發(fā)明在實施例中表層金屬單元的結構立體圖；以及
[0020]圖4是本發(fā)明在實施例中仿真實驗得到的電磁波能量吸收率的曲線圖。
【具體實施方式】
[0021]以下參照附圖及實施例對本發(fā)明所涉及的偏振不敏感的超材料微波能量捕獲器作詳細的描述。
[0022]實施例
[0023]圖1是本發(fā)明在實施例中偏振不敏感的超材料微波能量捕獲器的結構示意圖。
[0024]圖2是本發(fā)明在實施例中表層金屬單元的正視圖。
[0025]圖3是本發(fā)明在實施例中表層金屬單元的結構立體圖。
[0026]如圖1、圖2和圖3所示，偏振不敏感的超材料微波能量捕獲器具有:表層金屬膜1、底層金屬膜2、中間介質(zhì)層3和貼片電阻4。
[0027]表層金屬膜I采用銅膜，由至少一個表層金屬單元1-1均勻排列成平面陣列構成。本實施例中表層金屬單元1-1的數(shù)量為20個。
[0028]底層金屬膜2采用銅膜，由至少一個底層金屬單元2-1均勻排列成平面陣列構成，與表層金屬膜I一一對應。本實施例中表層金屬單元1-1的數(shù)量為20個。
[0029]表層金屬膜的厚度為膜厚度U，底層金屬膜的厚度為膜厚度U。膜厚度U的范圍為
0.0lmm?0.1mm0
[0030]本實施例中的厚度U為0.035mm。
[0031]表層金屬單元1-1和底層金屬單元2-1為具有嚴格幾何對稱性的周期性結構，如正方形，圓形，菱形，以及三角形。本實施中的表層金屬單元1-1和底層金屬單元2-1為正方形。
[0032]表層金屬單