本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)與再生能源收集技術(shù)交叉領(lǐng)域，涉及一種電磁能量收集、存儲(chǔ)和供電裝置(器)，尤其涉及從無線電廣播頻段到毫米波頻段的能量收集、存儲(chǔ)和供電裝置(器)。

背景技術(shù)：

能源問題已經(jīng)成為了制約世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。解決能源問題的根本辦法是開發(fā)利用環(huán)保型的新型可再生能源。目前已開發(fā)商用的可再生能源有太陽能、振動(dòng)能、風(fēng)能、溫差熱能等，但這些能源往往各有優(yōu)缺點(diǎn)，有的受到氣候等自然條件限制而無法持續(xù)穩(wěn)定地供能。譬如，太陽能光伏設(shè)備的使用與自然環(huán)境相關(guān)，在雨季就不能采集太陽光能量。而空間中無線電波傳播時(shí)所攜帶的電磁能量，來自于空間環(huán)境中的移動(dòng)通信基站、廣播電視塔、各種無線通訊設(shè)備等，能夠全天候輻射電磁能量。并且，在當(dāng)今信息社會(huì)，人們的信息活動(dòng)使我們周圍空間存在著大量無線電波，工業(yè)和人類生活中無線通信設(shè)備的使用數(shù)量急劇增加，地球上空間中各個(gè)頻段的無線電波越來越豐富，全世界的人們都處于具有不同頻率和不同功率的豐富的電磁能量包圍之中。因此，無線電磁能源有豐滿的空間分布性和穩(wěn)定的持續(xù)來源，幾乎不受自然環(huán)境影響，是一種低碳清潔可回收利用能源。所以，無線電磁能收集技術(shù)的突破和商業(yè)應(yīng)用在對(duì)人類持續(xù)發(fā)展有重大戰(zhàn)略意義的“新能源的開發(fā)技術(shù)”中已成為可再生能源技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。

電磁能量收集已形成為通信技術(shù)和能源技術(shù)兩個(gè)不同領(lǐng)域的交叉理論課題，自然界中存在著豐富的電磁能量，移動(dòng)通信基站、廣播電臺(tái)、電視信號(hào)發(fā)射臺(tái)，衛(wèi)星通信、以及大氣層雷電、太陽黑子爆發(fā)、地球磁場(chǎng)波動(dòng)等產(chǎn)生的電磁波輻射，這些電磁波能量或被浪費(fèi)或?qū)Νh(huán)境造成污染，電磁能量收集技術(shù)就是對(duì)無線電輻射能量吸收再利用，對(duì)空間中分布著的電磁能量進(jìn)行吸收和儲(chǔ)電。

經(jīng)過檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有專利文獻(xiàn)中已有不少專利涉及電磁能量收集。其中，大部分專利描述的裝置、系統(tǒng)、設(shè)備都是用了傳統(tǒng)的天線作為電磁能量收集器。根據(jù)理論，傳統(tǒng)天線對(duì)照射在其上的電磁能量接收效率最大為50％，剩余的50％都被導(dǎo)體天線散射和反射回去。近年來，科學(xué)界發(fā)現(xiàn)了“完美吸波器”，這種器件是通過導(dǎo)體-介質(zhì)-導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)吸波效應(yīng)的，最大吸收效率超過90％，也就是幾乎無回波的黑體，可以實(shí)現(xiàn)最大限度的吸收和最小限度的反射與散射。但現(xiàn)階段這種導(dǎo)體-介質(zhì)-導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的主要問題是僅在窄頻帶的吸收方面有較滿意的吸收效率，對(duì)于寬頻帶的吸收效果尚不理想。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于針對(duì)上述對(duì)于寬頻帶的吸收效果不佳的問題，通過采用設(shè)計(jì)的寬頻帶吸波結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更多電磁波能量收集，進(jìn)而提供一種空間電磁能量收集、存儲(chǔ)和供電裝置(器)，以補(bǔ)充傳統(tǒng)的太陽能電池供電器和火力水利發(fā)電電源。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為基于寬頻帶吸波器的電磁能量收集、存儲(chǔ)和供電裝置，包括電磁能量接收和饋電網(wǎng)絡(luò)模塊、電路阻抗匹配及濾波模塊、整流模塊，自功率DC-DC升壓模塊和能量存儲(chǔ)模塊，電磁能量接收和饋電網(wǎng)絡(luò)模塊的輸出端連接電路阻抗匹配及濾波模塊的輸入端，阻抗匹配及濾波模塊的輸出端連接整流模塊的輸入端，整流模塊的輸出端連接自功率DC-DC升壓模塊，升壓模塊的輸出端連接能量存儲(chǔ)模塊的電源輸入端，所述電磁能量接收和饋電網(wǎng)絡(luò)模塊包含寬頻帶吸波器。

進(jìn)一步，上述寬頻帶吸波器采用“金屬貼片層-介質(zhì)層-金屬底層-介質(zhì)層-饋電層”結(jié)構(gòu)，通過改變最上層金屬貼片的幾何形狀，使其自身形成多峰諧振的特性，實(shí)現(xiàn)寬帶吸收。

作為優(yōu)選，上述金屬貼片的幾何形狀可以是E形或扇形。

對(duì)E形金屬貼片，通過調(diào)節(jié)三個(gè)條帶的位置、寬度和長(zhǎng)度，可以調(diào)節(jié)吸波頻率的諧振點(diǎn)，形成多諧振頻點(diǎn)進(jìn)行吸波，從而展寬吸波帶寬。

對(duì)扇形金屬貼片，通過調(diào)節(jié)扇形的園半徑、園弧對(duì)應(yīng)的角度、和扇形面積形狀，可以調(diào)節(jié)吸波頻率的諧振點(diǎn)，形成多諧振頻點(diǎn)進(jìn)行吸波，從而展寬吸波帶寬。

上述扇形金屬貼片的平面結(jié)構(gòu)為電風(fēng)扇的葉子形狀，單元可以為二葉、三葉、四葉和多葉形狀。

上述金屬貼片的單元排列成陣列。

作為優(yōu)選，上述單元與單元之間距離為半個(gè)波長(zhǎng)左右。

可以通過調(diào)節(jié)單元間距、金屬貼片層與金屬底層單元之間的介質(zhì)層的厚度和介電常數(shù)來調(diào)節(jié)電磁波吸收效率。

E形和扇形金屬貼片是通過刻蝕形成在介質(zhì)層上表面，每個(gè)金屬貼片單元通過采用耦合饋電技術(shù)引出電流的微帶饋電線連接到饋電網(wǎng)絡(luò)模塊的功率合成電路，每個(gè)金屬貼片單元的饋電線都要進(jìn)行阻抗匹配；將功率合成電路的輸出端與整流模塊的輸入端相連，由整流模塊的輸出端得到直流電輸出。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

1，通過高吸收效率寬頻帶電磁能量接收器接收到的空間電磁波轉(zhuǎn)換來的電能經(jīng)過整流、濾波將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，然后將電能存儲(chǔ)在儲(chǔ)能器(超級(jí)電容)中，當(dāng)需要用電時(shí)通過能量管理模塊控制供電，提供了一種可長(zhǎng)久工作的無源儲(chǔ)能裝置，替代了傳統(tǒng)的電池、鋰電池，不再污染環(huán)境、威脅人體健康。

2，相對(duì)現(xiàn)有的無源產(chǎn)品-太陽能光伏器件，在天氣不佳的情況下依然能穩(wěn)定可靠工作，本發(fā)明依靠收集環(huán)境中存在的射頻-太赫茲頻段的電磁波獲得電能，不間斷提供電能，而且不需要人進(jìn)行日常管理和維護(hù)，其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益是顯而易見的。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。

圖2是寬頻帶電磁波能量收集器結(jié)構(gòu)圖。

圖3是吸波器電流輸出饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

圖4是整流模塊電路圖。

圖5是自功率DC-DC升壓電路模塊圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明包括電磁波能量接收模塊(1)、電路阻抗匹配、濾波(2)和整流模塊(3)，自功率DC-DC升壓電路模塊(4)和能量存儲(chǔ)模塊(5)。

圖2所述的寬頻帶吸波器采用“金屬貼片層-介質(zhì)層-金屬底層-介質(zhì)層-饋電層”結(jié)構(gòu)，通過改變最上層金屬貼片的幾何形狀，使其自身形成多峰諧振的特性，從而實(shí)現(xiàn)寬帶吸收。本發(fā)明所述的二種結(jié)構(gòu)，E形和扇形比傳統(tǒng)的十字形和園環(huán)形帶寬要提高60％以上。多個(gè)單元排列成陣列，單元與單元之間距離為半個(gè)波長(zhǎng)左右，既吸波器幾何結(jié)構(gòu)周期，周期尺寸與介質(zhì)有關(guān)，需仔細(xì)設(shè)計(jì)調(diào)諧。這個(gè)陣列除了增加了接收面積外，實(shí)際上是利用周期結(jié)構(gòu)對(duì)照射在其上的電磁波的反射進(jìn)行干涉相消的原理來提高接收電磁波效率的。

吸波器吸收的電磁能量通過饋電網(wǎng)絡(luò)引出，方法是用微帶天線耦合饋電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，如圖3所示，結(jié)構(gòu)共有五層，最上面一層是金屬貼片吸波單元1，第二層是介質(zhì)2，第三層是金屬接地板3，第四層是介質(zhì)4，第五層是微帶饋電線5，其中金屬接地板在每個(gè)吸波單元下方刻了一個(gè)槽6，用于把貼片單元上的電流引起的感應(yīng)場(chǎng)通過該槽把電磁能量耦合到最下層的饋電線上。每條饋電微帶線串聯(lián)多個(gè)貼片單元，把電流引出。

微帶饋電線跟整流濾波電路進(jìn)行阻抗匹配，把高頻交流信號(hào)輸入到整流模塊，如圖4所示，整流模塊包括多個(gè)整流器，整流器主要元件是肖特基二極管，每個(gè)整流器被配置成并操作為接收交流電信號(hào)，生成相應(yīng)的直流電功率；

整流模塊輸出的電流輸入到低功率直流-直流(DC-DC)升壓電路，升壓電路的主要功能是將弱電流變換成高電壓輸出，使其可以轉(zhuǎn)化為可利用的直流電能。本發(fā)明采用DC-DC自諧振變壓器的LTC3108型電源管理技術(shù)，在輸入電壓為10mV-30mV時(shí)，輸出電壓恒定為1.0V-3.3V。

如圖5所示，直流-直流(DC-DC)升壓電路輸出的直流電壓加在超級(jí)電容上將電能存儲(chǔ)起來。超級(jí)電容是一種電化學(xué)電容，此電容具有壽命長(zhǎng)、充電快、充電模式多樣、起始工作電壓較低等特點(diǎn)。它主要采用導(dǎo)電聚合物、金屬氧化物、碳電極材料等材料制成。超級(jí)電容可以將低壓差的電能存儲(chǔ)起來。本發(fā)明使用截止電壓為2.0V的超級(jí)電容，容量選擇為1F。

本發(fā)明采用了新型基于人工電磁材料結(jié)構(gòu)的“完美”電磁吸波器，提高了電磁能量的吸收效率，該吸波器由周期排列的寬頻帶單元組成的陣列，各個(gè)單元的吸收效率在80％以上。吸波器包括陣列單元、接地板和饋電微帶線。該陣列單元與接地板之間為介質(zhì)，接地板上開了槽孔，用于耦合饋電，接地板和陣列單元為平行放置。電磁波入射到置于接地板上方的陣列單元上。

以上所述電磁能量吸收、儲(chǔ)存、供電裝置，不是光能吸收、儲(chǔ)存、供電裝置，而是利用高吸收效率寬頻帶吸波器，將無線電波輻射能轉(zhuǎn)換成電能，采用提出的寬頻帶吸波單元結(jié)構(gòu)制作的吸波器，當(dāng)電磁波頻率從30MHz至900GHz(射頻至太赫茲)的電磁波照射到本發(fā)明中的電磁波吸波器上時(shí)，本發(fā)明公開就會(huì)把電磁波的能量變成電能存儲(chǔ)起來。當(dāng)許多個(gè)此類裝置并聯(lián)起來接收電磁能量就可以有更大的輸出功率。

以上所述，僅是本發(fā)明的在某一特定頻率的實(shí)例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限定。任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或修飾為等同變化的等效實(shí)例，但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)例所作的任何的簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

從以上描述中應(yīng)當(dāng)理解，雖然已經(jīng)說明和描述了特定實(shí)現(xiàn)，但可以對(duì)其作出并在此設(shè)想到各種修改。本發(fā)明也不旨在由說明書內(nèi)所提供的具體示例所限制。雖然已參考前述說明書描述了本發(fā)明，但本說明書對(duì)優(yōu)選實(shí)施方式的描述和說明不應(yīng)以限制性的意義來解釋。此外，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的所有方面均不限于以上所述的取決于多種條件和變量的具體描繪、配置或相對(duì)比例。對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式的形式和細(xì)節(jié)上的各種修改對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將會(huì)是顯而易見的。