本發(fā)明涉及太陽能收集領(lǐng)域，具體涉及一種基于太陽能收集的納米天線設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

目前市場上出現(xiàn)的太陽能電池都是基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)，即利用光的粒子性，但是其吸收太陽輻射的效率太低。而由愛因斯坦提出的光的波粒二象性，可以根據(jù)光的波動性利用天線吸收太陽光，再將天線產(chǎn)生的高頻交流電整流成直流電供外載使用。美國的bailey于1972年提出了首個天線太陽能電池的模型。1984年，marks給出了一種新的整流天線結(jié)構(gòu)，由偶極子陣列和全波整流器構(gòu)成。目前國際上對于整流天線太陽能電池的研究尚處于基礎(chǔ)理論與試驗中，實物天線電池尚未出現(xiàn)。

納米整流天線電池的轉(zhuǎn)換效率包括天線接收效率、天線與二極管之間的阻抗匹配效率以及整流效率。而首要的問題就是天線吸收太陽光的效率，其是衡量高效吸收太陽輻射的重要指標(biāo)。根據(jù)天線互易性定理，天線吸收效率即為天線的輻射效率。目前出現(xiàn)的吸收太陽輻射的納米天線存在兩個不足。第一，設(shè)計的納米天線沒有覆蓋太陽能的主要能量區(qū)；第二，沒有考慮太陽光的任意極化特性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有吸收太陽輻射的不足，提供一種基于太陽能收集的納米天線設(shè)計方法：基于吸收效率，設(shè)計工作波長為400-1600nm(該波長包含了85％的太陽輻射能量)的阿基米德螺旋納米天線來吸收太陽輻射。不僅最終能夠獲得高達74.49％的吸收效率；而且設(shè)計的納米天線對太陽光的極化特性不敏感。

技術(shù)方案：一種基于太陽能收集的納米天線設(shè)計方法，包括以下步驟：

(1)初始化銀螺旋納米天線的尺寸

銀螺旋納米天線的初始參數(shù)為：

天線臂為1環(huán)，天線的饋電間隙g＝20nm，天線臂高度h＝40nm，天線臂寬度w＝40nm，基底介質(zhì)的表面尺寸為500nn×500nm，基底介質(zhì)厚度d＝0；

(2)基于時域有限差分法建立仿真模型，獲得天線的輻射效率為ηrad，ηrad的表達式如下：

其中：

prad是天線輻射到遠場的功率；

pin是天線端口輸入的能量；

ploss表示銀螺旋納米天線本身消耗的能量；

(3)計算銀螺旋納米天線在整個工作波長400～1600nm的總吸收效率η^tot，用來評估設(shè)計的螺旋納米天線結(jié)構(gòu)，η^tot的計算公式為

其中，

λ是電磁波的波長，

η^rad(λ)是銀螺旋納米天線的輻射效率，

p(λ,t)是普朗克的黑體輻射，其表達式如下

其中：

t是進行太陽能量收集時，太陽表面的的絕對溫度，其值為5780k，

h是普朗克常數(shù)，

c真空中的光速，

k是玻爾茲曼常數(shù)，

λ表示電磁波的波長；

(4)對于不同尺寸的螺旋天線，以總吸收效率η^tot表征選擇最終的天線尺寸，確定最優(yōu)的天線結(jié)構(gòu)

每次確定一個可變參數(shù)，天線參數(shù)掃描范圍為：

天線臂的環(huán)數(shù)范圍為1～3，天線臂寬度范圍為20～60nm，天線臂取值步長為10nm，天線臂的高度范圍為30～70nm，天線臂高度的取值步長為10nm，基底介質(zhì)厚度范圍為0～5000nm，0nm代表沒有介質(zhì)的情況，重復(fù)步驟(2)～(3)，從中選出總吸收效率最高的天線結(jié)構(gòu)作為最優(yōu)的天線尺寸。

進一步的，步驟(1)中銀螺旋納米天線包括兩個共面的銀阿基米德螺旋臂及基底介質(zhì)，

兩個共面的銀阿基米德螺旋臂的一端與基底介質(zhì)的一側(cè)相接觸，天線臂的寬度與兩臂之間的間距相同，兩個天線臂呈鏡像布設(shè)。

更進一步的，所述基底介質(zhì)為硅基底介質(zhì)或二氧化硅基底介質(zhì)。

有益效果：本發(fā)明公開的一種基于太陽能收集的納米天線設(shè)計方法具有以下有益效果：

1、設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)能接收400-1600nm的寬頻太陽頻譜，且總吸收效率達74.49％；

2、兼顧太陽光的任意極化特性，較線極化的偶極子天線，只能接收一半的太陽功率，螺旋天線可以接收任意線極化的光。

附圖說明

圖1是銀螺旋納米天線的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明公開的一種基于太陽能收集的納米天線設(shè)計方法流程圖；

圖3是天線臂環(huán)數(shù)變化對螺旋納米天線的輻射效率及總輻射效率的影響圖；

圖4是天線臂寬度變化對螺旋納米天線的輻射效率及總輻射效率的影響示圖；

圖5是天線臂高度變化對螺旋納米天線的輻射效率及總輻射效率的影響圖；

圖6是天線的基底介質(zhì)厚度變化對螺旋納米天線的輻射效率及總輻射效率的影響圖；

圖7是不同極化方向入射光對螺旋納米天線的電場強度影響圖；

其中：

g-饋電間隙h-天線臂高度

w-天線臂寬度d-基底介質(zhì)厚度

g-相鄰天線臂的間距

具體實施方式：

下面對本發(fā)明的具體實施方式詳細說明。

具體實施例1

如圖2所示，一種基于太陽能收集的納米天線設(shè)計方法，以工作波長內(nèi)總輻射效率最高為指標(biāo)的方法設(shè)計螺旋納米天線結(jié)構(gòu)并最終確定其尺寸，包括以下步驟：

(1)初始化銀螺旋納米天線的尺寸

銀螺旋納米天線的初始參數(shù)為：

天線臂為1環(huán)，天線的饋電間隙g＝20nm，天線臂高度h＝40nm，天線臂寬度w＝40nm，基底介質(zhì)的表面尺寸為500nn×500nm，基底介質(zhì)厚度d＝0；

(2)基于時域有限差分法建立仿真模型，獲得天線的輻射效率為ηrad，ηrad的表達式如下：

其中：

prad是天線輻射到遠場的功率；

pin是天線端口輸入的能量；

ploss表示銀螺旋納米天線本身消耗的能量；

(3)計算銀螺旋納米天線在整個工作波長400～1600nm的總吸收效率η^tot，用來評估設(shè)計的螺旋納米天線結(jié)構(gòu)，η^tot的計算公式為

其中，

λ是電磁波的波長，

η^rad(λ)是銀螺旋納米天線的輻射效率，

p(λ,t)是普朗克的黑體輻射，其表達式如下

其中：

t是進行太陽能量收集時，太陽表面的的絕對溫度，其值為5780k，

h是普朗克常數(shù)，

c真空中的光速，

k是玻爾茲曼常數(shù)，

λ表示電磁波的波長；

(4)對于不同尺寸的螺旋天線，以總吸收效率η^tot表征選擇最終的天線尺寸，確定最優(yōu)的天線結(jié)構(gòu)

每次確定一個可變參數(shù)，天線參數(shù)掃描范圍為：

天線臂的環(huán)數(shù)范圍為1～3，天線臂寬度范圍為20～60nm，天線臂取值步長為10nm，天線臂的高度范圍為30～70nm，天線臂高度的取值步長為10nm，基底介質(zhì)厚度范圍為0～5000nm，0nm代表沒有介質(zhì)的情況，重復(fù)步驟(2)～(3)，從中選出總吸收效率最高的天線結(jié)構(gòu)作為最優(yōu)的天線尺寸。各參數(shù)獲得輻射效率及總輻射效率的結(jié)果，參照圖3～6所示。

進一步的，如圖1所示，步驟(1)中銀螺旋納米天線包括兩個共面的銀阿基米德螺旋臂及基底介質(zhì)，

兩個共面的銀阿基米德螺旋臂的一端與基底介質(zhì)的一側(cè)相接觸，

天線臂的寬度與兩臂之間的間距相同，兩個天線臂呈鏡像布設(shè)。

另外，天線臂為一環(huán)且臂與臂之間的間距g與天線臂的寬度w始終保持相等，

更進一步的，基底介質(zhì)為硅基底介質(zhì)。

驗證：

確定最優(yōu)的天線尺寸后，驗證螺旋納米天線的極化特性。通過在垂直天線的表面的方向上施加平面波激勵，入射光的極化方向在介質(zhì)水平面上，且與x軸夾角為0、45、90度，取天線間隙處的中心點電場為觀測點，對不同極化方向的入射光表現(xiàn)出不敏感性(分別為14.5、18.2、19.6)，具有一定的穩(wěn)定性，適合用于任意極化的太陽光的吸收。

驗證螺旋納米天線對不同入射方向的極化光具有一定的穩(wěn)定性。采用不同極化方向的入射光激勵分析近場的電場增強特性，設(shè)置天線臂的環(huán)數(shù)n＝1、寬度w＝40nm、高度h＝60nm、介質(zhì)尺寸為500nm×500nm×200nm不變，設(shè)定垂直天線表面入射光，極化方向在天線表面所在的平面上，且與x軸的夾角分別取0、45、90度。入射光強度為1v/m，選擇天線的饋電間隙中心處為觀測點，記錄該點的電場強度隨波長的變化情況，結(jié)果參照圖7，從圖7可以看出，在400-1000nm的波長范圍內(nèi)納米螺旋天線對極化是不敏感的，只在長波區(qū)0度極化與90度極化的差別相對大一些，而像偶極子這類線極化天線只能接收臂長方向極化的入射光，垂直于臂長方向的極化入射光將不能接收，因此螺旋納米天線適合用來收集任意極化的太陽光。

具體實施例2

與具體實施例1大致相同，區(qū)別僅僅在于：

基底介質(zhì)為二氧化硅基底介質(zhì)。

上面對本發(fā)明的實施方式做了詳細說明。但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在所屬技術(shù)領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。