[发明专利]基于宽频带吸波器的电磁能量收集、存储和供电装置

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术与再生能源收集技术交叉领域，涉及一种电磁能量收集、存储和供电装置(器)，尤其涉及从无线电广播频段到毫米波频段的能量收集、存储和供电装置(器)。

背景技术

能源问题已经成为了制约世界经济发展的关键问题之一。解决能源问题的根本办法是开发利用环保型的新型可再生能源。目前已开发商用的可再生能源有太阳能、振动能、风能、温差热能等，但这些能源往往各有优缺点，有的受到气候等自然条件限制而无法持续稳定地供能。譬如，太阳能光伏设备的使用与自然环境相关，在雨季就不能采集太阳光能量。而空间中无线电波传播时所携带的电磁能量，来自于空间环境中的移动通信基站、广播电视塔、各种无线通讯设备等，能够全天候辐射电磁能量。并且，在当今信息社会，人们的信息活动使我们周围空间存在着大量无线电波，工业和人类生活中无线通信设备的使用数量急剧增加，地球上空间中各个频段的无线电波越来越丰富，全世界的人们都处于具有不同频率和不同功率的丰富的电磁能量包围之中。因此，无线电磁能源有丰满的空间分布性和稳定的持续来源，几乎不受自然环境影响，是一种低碳清洁可回收利用能源。所以，无线电磁能收集技术的突破和商业应用在对人类持续发展有重大战略意义的“新能源的开发技术”中已成为可再生能源技术的研究热点之一。

电磁能量收集已形成为通信技术和能源技术两个不同领域的交叉理论课题，自然界中存在着丰富的电磁能量，移动通信基站、广播电台、电视信号发射台，卫星通信、以及大气层雷电、太阳黑子爆发、地球磁场波动等产生的电磁波辐射，这些电磁波能量或被浪费或对环境造成污染，电磁能量收集技术就是对无线电辐射能量吸收再利用，对空间中分布着的电磁能量进行吸收和储电。

经过检索发现，现有专利文献中已有不少专利涉及电磁能量收集。其中，大部分专利描述的装置、系统、设备都是用了传统的天线作为电磁能量收集器。根据理论，传统天线对照射在其上的电磁能量接收效率最大为50％，剩余的50％都被导体天线散射和反射回去。近年来，科学界发现了“完美吸波器”，这种器件是通过导体-介质-导体的结构设计来实现吸波效应的，最大吸收效率超过90％，也就是几乎无回波的黑体，可以实现最大限度的吸收和最小限度的反射与散射。但现阶段这种导体-介质-导体的结构设计存在的主要问题是仅在窄频带的吸收方面有较满意的吸收效率，对于宽频带的吸收效果尚不理想。

发明内容

本发明目的在于针对上述对于宽频带的吸收效果不佳的问题，通过采用设计的宽频带吸波结构，实现更多电磁波能量收集，进而提供一种空间电磁能量收集、存储和供电装置(器)，以补充传统的太阳能电池供电器和火力水利发电电源。

为实现上述目的，本发明提出的技术方案为基于宽频带吸波器的电磁能量收集、存储和供电装置，包括电磁能量接收和馈电网络模块、电路阻抗匹配及滤波模块、整流模块，自功率DC-DC升压模块和能量存储模块，电磁能量接收和馈电网络模块的输出端连接电路阻抗匹配及滤波模块的输入端，阻抗匹配及滤波模块的输出端连接整流模块的输入端，整流模块的输出端连接自功率DC-DC升压模块，升压模块的输出端连接能量存储模块的电源输入端，所述电磁能量接收和馈电网络模块包含宽频带吸波器。

进一步，上述宽频带吸波器采用“金属贴片层-介质层-金属底层-介质层-馈电层”结构，通过改变最上层金属贴片的几何形状，使其自身形成多峰谐振的特性，实现宽带吸收。

作为优选，上述金属贴片的几何形状可以是E形或扇形。

对E形金属贴片，通过调节三个条带的位置、宽度和长度，可以调节吸波频率的谐振点，形成多谐振频点进行吸波，从而展宽吸波带宽。

对扇形金属贴片，通过调节扇形的园半径、园弧对应的角度、和扇形面积形状，可以调节吸波频率的谐振点，形成多谐振频点进行吸波，从而展宽吸波带宽。

上述扇形金属贴片的平面结构为电风扇的叶子形状，单元可以为二叶、三叶、四叶和多叶形状。

上述金属贴片的单元排列成阵列。

作为优选，上述单元与单元之间距离为半个波长左右。

可以通过调节单元间距、金属贴片层与金属底层单元之间的介质层的厚度和介电常数来调节电磁波吸收效率。

E形和扇形金属贴片是通过刻蚀形成在介质层上表面，每个金属贴片单元通过采用耦合馈电技术引出电流的微带馈电线连接到馈电网络模块的功率合成电路，每个金属贴片单元的馈电线都要进行阻抗匹配；将功率合成电路的输出端与整流模块的输入端相连，由整流模块的输出端得到直流电输出。