[發明專利]一種基于超材料的高頻電磁能量采集器

有效

• 申請號: 202110276301.7
• 申請日: 2021-03-15
• 公開（公告）號: CN113036445B
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發明（設計）人: 文永正;趙世強;郎光輝;周濟;王健;趙國棟
• 申請（專利權）人: 北京索通新動能科技有限公司;清華大學
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙靜

本發明公開了一種基于超材料結構的高頻電磁能量采集器。所述基于超材料的高頻電磁能量采集器具體組成單元為超材料響應基元，可以單個工作，也可多個級聯工作。所述超材料響應基元具體包括電磁諧振結構和能量轉換結構。在采集能量時，電磁諧振結構與電磁波作用產生所需的局域電場和磁場，電、磁場共同作用于該區域的能量轉換結構，使得其中的自由載流子受到洛倫茲力直流分量作用而發生定向偏轉，從而使得在能量轉換結構兩端邊界形成電勢差。通過在能量轉換結構兩端接入儲能模塊，便可以利用該電勢差實現能量儲存，從而完成高頻電磁能量采集。本發明提出的高頻電磁能量采集器具有頻段通用、結構簡單、無需整流電路、便于集成、室溫工作等優點。

技術領域

本發明屬于電磁能量采集技術領域，特別涉及一種基于超材料的高頻電磁能量采集器。

背景技術

隨著社會發展，能源的需求變得愈發凸顯。電磁能作為主要的能量形式之一，其合理的采集、傳輸和使用是能源領域和電磁領域的長期研究和應用熱點。其中，如何有效地采集電磁波能量是研究人員一直以來關注的核心問題之一。如果可以實現有效的高頻電磁能量采集，我們既可以對環境中的輻射電磁波進行采集，也可以實現點對點的無線能量傳輸。高頻整流是電磁能量采集中的物理基礎，目前在微波段常采用天線結合二極管進行整流從而采集能量，但是該種方法在更高的頻率中應用受到限制；而在光波段目前人們常用半導體結實現能量采集轉換，但是結構復雜并且對材料本身要求嚴格，并且能量采集速度在根本上受到限制。因此發展一種頻段通用而結構簡單的方法來實現高頻電磁能量采集有重要的應用意義。另一方面，一種人工結構-超材料的迅速發展，為我們提供了一種控制電磁波的手段。根據超材料的設計思想，我們可以開發一種新的技術路線實現高頻電磁能量采集，同時基于超材料的亞波長尺寸特點，可以有效地將高頻電磁能量采集器集成于電子微系統、植入式電子設備中。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于超材料的高頻電磁能量采集器。

本發明所提供的基于超材料的高頻電磁能量采集器，至少包括一個超材料響應基元。

本發明所提供的基于超材料的高頻電磁能量采集器，可以僅由單個超材料響應基元組成，也可以陣列形式工作。單個超材料響應基元體積更小，有利于集成化和小型化應用場景；多個超材料響應基元構成的陣列可以累積能量，提高能量收集效率。

所述超材料響應基元是由電磁諧振結構和能量轉換結構組成，整體結構設置于低損耗襯底上。當該超材料響應基元受到高頻電磁波的激勵時，所述電磁諧振結構將會在局域形成增強的電場和磁場。所述能量轉換結構位于電磁諧振結構產生的局域增強電磁場區域內，由于電場和磁場的共同作用，能量轉換結構的自由載流子將會受到洛倫茲力而發生偏轉運動。該運動中包含一個方向不變的直流運動分量，使得帶電自由載流子將會定向運動，并最終在能量轉換結構的物理邊界處發生聚集，從而形成直流電壓，完成高頻電磁波到直流電信號的高頻整流過程。通過在能量轉換結構的兩端布置電路引線，并接入儲能模塊中，就可以對儲能模塊進行充電，從而完成能量的采集。

所述電磁諧振結構的幾何尺寸通常小于目標電磁波的波長，為亞波長尺寸，其主要作用是與目標電磁波諧振，產生所需的局域電場和磁場。所述電磁諧振結構在形狀方面沒有固定的形狀要求，可以是幾何連續的，也可以是分立的多個結構聯立構成。凡是滿足上述電磁諧振和電磁場增強要求的結構，均可以用來充當此處的電磁諧振結構。根據本發明的一個實施例，如圖1所示，所述電磁諧振結構由一個U形金屬環構成，在U形環內部和部分外部區域均可以產生所需的局域電磁場，因此可以放置能量轉換結構。

所述電磁諧振結構的材料選擇，須滿足電磁諧振對材料的要求，可以是金、銀、銅、鋁等良導體金屬，也可以是重摻雜或不摻雜的硅、鍺、磷化鎵等半導體，也可以是二氧化鈦、鈦酸鋇、氧化鋁、氮化硅、碳化硅、鈦酸鈣、鈦酸鍶鋇等介質材料。所述重摻雜或不摻雜的半導體中摻雜的元素包括硅元素、硼元素、磷元素、砷元素、鎵元素等。