[0001] 本发明涉及微波能量传输技术，特别涉及一种基于超材料的微波整流表面。

[0002] 作为微波应用技术之一，微波无线能量传输是以微波为载体，通过发射天线和接收整流设备进行微波能量的发射和接收，实现远距离的能量无线传送，在空间太阳能电站等诸多领域有广阔的应用前景。

[0003] 微波无线能量传输系统中，整流天线是当前常用的能量接收整流设备，它由接收天线和整流电路组成。它通过接收天线捕获空间中微波能量，再由整流电路将微波能量转换为直流能量并输出。整流天线通常体积庞大，组装复杂，并且实现接收天线和整流电路之间良好的阻抗和功率匹配有相当大难度。

[0004] 微波整流表面是一种新型微波能量接收和整流结构，它由若干超材料(Metamaterials)单元组成，这些单元是对微波电磁场产生强烈谐振的周期结构。超材料单元连接小型化的整流电路(由整流二极管、微带线及电阻、电感和电容等外围元器件组成)，可以实现接收空间微波能量并转化为直流输出的功能。相对比传统整流天线，微波整流表面结构紧凑，理论上可实现对空间微波能量更高的接收和整流效率。

[0005] 2015年在《Applied Physics  Letters》中发表的论文“Metamaterial electromagnetic energy harvester with near unity efficiency”(106,153902)介绍了一种超材料能量采集装置，能对入射微波进行接近完全的吸收，但该装置中采用电阻而不是整流二极管，不能将接收的微波能量转换成直流能量。2014年在《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》中论文“Optimal Matched Rectifying Surface for Space Solar Power Satellite Applications”(Vol.62,No.4)介绍了一种微波整流表面，但该微波整流表面将整流二极管集成在正面的超材料单元中，由于整流二极管暴露在入射微波场，对二极管工作状态有难以预测的影响。此外，该微波整流表面中整流电路过于简单，不够完善，只能工作在低功率密度微波能量入射状态下，且整流效率很低，不具备工程应用价值。

[0006] 下面简单介绍一下本发明涉及的三个技术名词：超材料、微波整流电路和微带结构。

[0007] 超材料是指具有天然材料所不具备独特物理性质的人工复合结构或复合材料。例如具有负介电常数和负磁导率的左手材料、频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)、高阻表面(High Impedance Surface)等。超材料的独特电磁特性使其得到了广泛应用，包括空间无线能量收集。

[0008] 微波整流电路通常由整流二极管、微带线及电阻、电感和电容等外围元器件组成，将输入的交变信号转换成直流信号。

[0009] 微带结构包括介质基板和金属层，金属层通常是通过涂敷工艺在介质基板表面形成的金属涂覆层或采用黏贴工艺形成的金属贴片层。金属层可以形成于介质基板的一面或两面，如常用的单面和双面印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)。为了实现各种功能，通常在金属层上通过刻蚀、剪贴工艺制成各种微带单元，如保留在介质基板表面的各种形状的金属块(称为微带贴片)或在金属层形成的各种形状的微带缝隙(去掉金属部分而露出介质基板的图案)，这些微带单元具有不同的功能，可以构成微带滤波器、微带耦合器、微带传输线、微带天线等。

[0031] 下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

[0032] 本发明利用介质基板表面分布的n个大小、形状、距离相同或不同的微带结构单元，布置于入射电磁波正对方向，通过调整微带结构单元的形状、大小、位置，改变对特定频率电磁波的反射和透射特性，使其反射最小，吸收最大。本发明的整流电路位于整流表面的背面，不受入射电磁能量的干扰，通过调整整流电路的形状、大小和位置，实现最大化直流能量的输出。

[0033] 实施例1

[0034] 本例超材料整流表面正面如图1所示，整个整流表面为边长T＝120mm的正方形。其中包括36个尺寸相同的微带结构单元1及其对应的36个整流单元2。36个微带结构单元排列成6×6的矩阵，每个微带结构单元边长L＝20mm，约为入射电磁波频率2.45GHz对应波长的1/6。参见图2、图3和图4所示，本例微带结构单元1包括微带贴片10、金属过孔11、基板12。图
2中，露出基板12的部分可以看成是微带缝隙。基板12介电常数为2.65，厚度为3mm。图中标注的主要尺寸为：a＝18.1mm，b＝13.4mm，c＝9mm，g＝1.1mm，w1＝1.4mm，w2＝1.1mm。通过调整这些尺寸，以及微带结构单元1之间的距离、位置等，可以非常方便的调整微带单元的工作频率，使其谐振于入射电磁波的频率，实现电磁波的最大化接收。本例整流单元2具有微带结构，由一块厚度为1mm，介电常数为2.65的下层基板22及其表面分布的微带贴片电路走线20、金属盲孔21、金属地23、金属地挖空24构成，如图3所示。图3中，微波整流二极管25为贴片二极管(型号为HSMS-282B)、贴片电容26(10pF)、贴片电阻27(850Ω)构成本例的整流元件。图3中标注的主要尺寸为：a1＝6.3mm，b1＝10.4mm，c1＝7.05mm，d＝1mm，g1＝4.15mm，h＝2.05mm，j＝0.5mm。通过调整上述尺寸以及整流元件的参数等，可使整流单元的工作频率等于接收的电磁波频率，实现整流效率的最大化。图4所示的剖视图中可以看到，金属过孔11穿过上层基板12、金属地挖空24和下层基板22，将微带贴片10和微带贴片电路走线20连接起来，将微带结构单元1吸收的微波能量传递到整流单元2。金属盲孔21穿过下层基板
22，将微带电路走线20和金属地23连接，形成本单元电路回路，金属盲孔21与金属过孔11之间的距离c＝9mm。

[0035] 本例超材料整流表面，接收电磁波的36个微带结构单元可以采用一张单面印刷电路板加工制成，对应的36个整流单元可以制作在一张双面印刷电路板上。两张电路板制作完成后按照图4所示位置关系进行重叠安装，并完成后盲孔、过孔及贴片元件的装配。整个生产流程与普通印刷电路板制作工艺基本相同，可以采用现行成熟技术和工艺，降低生产成本和提高生产效率。

[0036] 由图5所示的本例超材料整流表面整流效率示意图可见，由正面的超材料单元和背面的整流单元组成的整流表面，非常适合用于提高微波能量传输系统的微波转换效率。本例入射电磁波为频率2.45GHz的微波，在入射功率密度为5mW/cm2时，整流效率达到
66.9％。改变上述微带结构单元1中微带贴片10结构尺寸和整流单元中微带贴片电路走线
20的尺寸，以及贴片电容26、贴片电阻27的值，可以调整整流表面的工作频率和最佳工作入射功率密度。

[0037] 由于本发明的微带结构单元尺寸远远小于工作频率对应波长(通常为1/14～1/4)，微带结构单元通常都非常小，即使基板有一定的变形，对微带结构单元的形状影响也不大，其电磁波传输特性基本不会发生大的变化。在上述实施例中，如果采用柔性基板，可以将整个整流表面安装到具有一定曲率的支撑体表面，并使整流表面与支撑体表面共形。这样本发明就可以非常方便的安装到各种飞行器的表面，而不会改变飞行器的空气动力学特征，非常适用于对飞行器，如无人机等的微波供能，极大地延长无人机的滞空时间。