一种能信自主分配的能信同传超表面

1.本发明涉及微波无线能量和信息并行传输领域，特别涉及一种能信自主分配的能信同传超表面。


背景技术：

2.随着无线通信和天线与微波技术的发展，能量与信息并行传输已经成为可能，无线收发设备在完成能量传输与收集的同时，还能进行可靠通信，能信同传技术在物联网、医疗及军事探测等领域具有广泛应用前景。
3.整流天线是wpt系统的接收器件，接收天线双极化工作时可通过正交极化进行能量和通信的功率分配，但是分配比例固定，无法实现“高能量、低通信”的实际需求；虽然通过调整馈线结构可以调节输入端口的功率比，但馈电结构复杂，拓展性差，且损耗较大。另一方面，整流天线单元尺寸通常大于半波长，对工作于ism、wlan等频段的传感器设备尺寸较大。
4.为了适应电子设备小型化的需求，需要接收整流器件体积小、重量轻，且可根据不同设备的供电需求进行尺寸的拓展。电磁超表面以其亚波长尺寸和紧凑排布方式，为接收器件的小型化和紧凑阵列研究带来突破口。而通信超表面天线的辐射结构与整流超表面形式相似，利用这一特点，将紧凑的整流超表面与通信超表面天线一体化设计，复用部分结构，从而实现能量与信息的并行传输，同时从空域自主控制能量和信息的功率比例。其整体结构紧凑，剖面低，阵列规模可根据实际需求进行拓展。


技术实现要素：

5.本发明能信自主分配的能信同传超表面，在进行信息传输的同时，接收更多微波能量并转化成直流电。其特殊的结构形式从空间上分离能量与信息的接收，同时可通过结构尺寸的设计自主控制能量与信息的功率比例，使传感器节点、rfid及其它电子设备在进行通信的同时，通过接收微波能量进行供能，以摆脱电池的束缚，实现设备的能量与信息的并行传输。所述能信同传超表面不仅能控制能量信息功率比例，还可根据实际需求设计阵列尺寸，具有低剖面、结构紧凑、易加工的优点，适于大规模的生产。
6.为达到上述目的，本发明的构思如下：
7.采用新型的整流超表面作为微波能量的接收和整流器件，使用通信超表面天线接收信息，将两者一体化设计，复用一层金属层，利用空间的部分透射特性同时接收能量与信息，通过控制复用结构尺寸，实现对能量和信息功率的自主分配，在保证信息传输的同时，接收更多的能量转化成直流能量。超表面尺寸可变，具有结构紧凑、可拓展、剖面低和易于加工等特性，容易与电子设备共形。
8.根据上述构思，本发明采用如下技术方案：
9.一种能信自主分配的能信同传超表面，包括从上至下的微波能量收集和转换的整流超表面和通信超表面天线；所述整流超表面包括从上至下给整流超表面层、第一介质板、
整流超表面金属地板；所述通信超表面天线包括通信超表面天线辐射层、第二介质板、通信超表面天线馈电层；所述第一介质板紧贴放置在第二介质板上方；所述整流超表面金属地板与所述通信超表面天线辐射层电池同一层而处在所述第一介质板和所述第二介质板之间；以上部分均采用印刷电路，整体制作在双面覆铜板的介质基片上。
10.所述整流超表面包括三层结构：整流超表面层、第一介质板、整流超表面金属地板；所述整流超表面层由周期排布且中心对称的整流超表面单元构成；所述整流超表面单元由超表面单元，整流二极管和滤波电感组成；所述超表面单元为对角线刻蚀缝隙的方形贴片，位于第一介质板上方；所述整流超表面单元能够同时接收水平极化波和垂直极化波，通过所述整流二极管转换为直流能量，由所述滤波电感滤波并形成直流通路；所述整流超表面金属地板由周期排布的正方形金属贴片构成，所述正方形金属贴片与所述整流超表面单元一一对应。
11.所述通信超表面天线包含三层结构：通信超表面天线辐射层、第二介质板、通信超表面天线馈电层；所述通信超表面天线辐射层由周期排布的正方形金属贴片构成，位于第二介质板的上方；所述通信超表面天线馈电层由共面波导缝隙耦合馈电结构和信号输出端口构成，位于第二介质板的下方；所述信号输出端口与所述缝隙耦合馈电结构相连。所述通信超表面天线辐射层接收电磁信号，通过所述通信超表面天线馈电层将信号传输到所述信号输出端口，由所述信号输出端口输出接收信号。
12.所述整流超表面单元、通信超表面天线辐射层、通信超表面天线馈电层存在有效尺寸；所述信号输出端口特性阻抗为50欧姆。
13.本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
14.1.本发明将整流超表面与通信超表面天线一体化设计，从空间上分离能量与信息端口。
15.2.整流超表面与通信超表面天线复用部分结构体，使阵列结构更加简单、紧凑。
16.3.在实现能量信息并行传输的情况下，通过调节复用结构的尺寸来自主控制能量与信息功率比例，以满足不同应用的需求。
17.4.整流超表面单元与整流二极管共轭匹配，省去匹配电路，结构紧凑。在接收功率为 13dbm时，整流效率可以达到74.9％。
18.5.整流超表面能够接收任意极化的电磁波，无需极化对准。
19.6.整流超表面和通信超表面天线的工作频率可以独立的选择并设计，以满足不同应用的需求。
20.7.采用共面波导缝隙耦合馈电结构，与辐射贴片共用介质层，使阵列剖面更低。
21.8.阵列整体为平板结构，剖面低，阵列规模可拓展，便于与其他电子设备相集成。
附图说明
22.图1为根据本发明的能信同传超表面的三维结构爆炸示意图；
23.图2为根据本发明的能信同传超表面的整流超表面单元。
24.图中：1.整流超表面；2.通信超表面天线；3.整流超表面层；4.第一介质板；5.整流超表面金属地板；6.通信超表面天线辐射层；7.第二介质板；8.通信超表面天线馈电层； 9.整流超表面单元；10.超表面单元；11.整流二极管；12滤波电感.；13.正方形金属贴片；14.
缝隙馈电耦合结构；15.信号输出端口。
具体实施方式
25.下面将本发明实施例中结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
27.实施例一：
28.在本实施例中，为了说明本发明专利的结构、工作性能，在此以一个二十五元超表面，其中整流超表面与通信超表面天线均工作于2.45ghz的实例加以说明。该实施例的阵列规模、工作频带和极化方式并不约束本发明天线权利要求的阵列规模、工作频率覆盖范围和极化方式。整流超表面单元尺寸0.13λ0，在接收13dbm的功率时整流效率达到74.9％。通信超表面天线增益3.2dbi。整体剖面0.06λ0。
29.参照图1、图2，一种能信自主分配的能信同传超表面，包括从上至下的能量收集和转换的整流超表面1和通信超表面天线2；所述整流超表面1包括从上至下的整流超表面层3、第一介质板4、整流超表面金属地板5；所述通信超表面天线2包括从上至下的通信超表面天线辐射层6、第二介质板7、通信超表面天线馈电层8；所述第一介质板4紧贴放置在第二介质板7上方；所述整流超表面金属地板5与所述通信超表面天线辐射层6构成同一层而处在所述第一介质板4和所述第二介质板7之间；以上部分均采用印刷电路，整体制作在双面覆铜板的介质基片上。
30.本实施例将整流超表面与通信超表面天线一体化设计，从空间上分离能量与信息端口。整流超表面与通信超表面天线复用部分结构体，使阵列结构更加简单、紧凑。能信同传超表面不仅能控制能量信息功率比例，还可根据实际需求设计阵列尺寸，具有低剖面、结构紧凑、易加工的优点，适于大规模的生产。
31.实施例二：
32.本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
33.在本实施例中，所述整流超表面1包括三层结构：整流超表面层3、第一介质板4、整流超表面金属地板5；所述整流超表面层3由周期排布且中心对称的二十五元整流超表面单元9 构成；所述整流超表面单元9由超表面单元10，整流二极管11和滤波电感12组成；所述超表面单元10为对角线刻蚀缝隙的方形贴片，位于第一介质板上方；所述整流超表面单元9能够同时接收水平极化波和垂直极化波，通过所述整流二极管11转换为直流能量，由所述滤波电感12滤波并形成直流通路；所述整流超表面金属地板5由周期排布的二十五元正方形金属贴片13构成，所述正方形金属贴片13与所述整流超表面单元9一一对应。
34.所述通信超表面天线2包含三层结构：通信超表面天线辐射层6、第二介质板7、通信超表面天线馈电层8；所述通信超表面天线辐射层6由周期排布的二十五元正方形金属贴片13 构成，位于第二介质板7的上方；所述通信超表面天线馈电层8由共面波导缝隙耦合馈电结构14和信号输出端口15构成，位于第二介质板7的下方；所述信号输出端口15与所述缝
隙耦合馈电结构14相连。所述通信超表面天线辐射层6接收电磁信号，通过所述通信超表面天线馈电层8将信号传输到所述信号输出端口15，由所述信号输出端口15输出接收信号。
35.所述整流超表面单元9、通信超表面天线辐射层6、通信超表面天线馈电层8存在有效尺寸；所述信号输出端口15特性阻抗为50欧姆。
36.这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
37.本实施例能信自主分配的能信同传超表面，在进行信息传输的同时，接收更多微波能量并转化成直流电。其特殊的结构形式从空间上分离能量与信息的接收，同时可通过结构尺寸的设计自主控制能量与信息的功率比例，使传感器节点、rfid及其它电子设备在进行通信的同时，通过接收微波能量进行供能，以摆脱电池的束缚，实现设备的能量与信息的并行传输。所述能信同传超表面不仅能控制能量信息功率比例，还可根据实际需求设计阵列尺寸，具有低剖面、结构紧凑、易加工的优点，适于大规模的生产。
38.综上所述，上述实施例能信自主分配的能信同传超表面。它包括能量收集和转换的整流超表面和通信超表面天线；所述整流超表面包括整流超表面层、第一介质板、整流超表面金属地板；所述通信超表面天线包括通信超表面天线辐射层、第二介质板、通信超表面天线馈电层；所述第一介质板紧贴放置在第二介质板上方；所述整流超表面金属地板与所述通信超表面天线辐射层构成同一层而处在所述第一介质板和所述第二介质板之间；以上部分均采用印刷电路工艺，整体制作在双面覆铜板的介质基片上。所述能信同传超表面从空间上分离能量与信息，通过控制复用结构的尺寸实现能量与信息的功率自主分配，在保证信号传输的同时，能够尽可能多地传输能量，还可以根据实际的能量和通信需求设计阵列尺寸。所述能信同传超表面具有低剖面、结构紧凑、易加工的优点，可用于物联网传感器节点、医疗及军事探测等的能信并行传输。
39.上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。