[论文解读] A new extremely ultrathin metasurface energy harvester and its simple modelling based on resonant half-wave dipole antenna

Alireza Ghaneizadeh, Mojtaba Joodaki+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2024

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新型超薄超表面能量收集器，厚度仅为0.004λ，利用谐振半波偶极子天线的代理模型实现快速设计优化。该结构在TM极化下于75°角范围内实现稳定性能，效率超过85%，半功率波束宽度超过7%，在极端亚波长厚度下表现出高吸收性和强鲁棒性。

ABSTRACT

In this paper we propose a novel design approach for an ultrathin metasurface energy harvester based on a surrogate model of dipole antenna. A significant advantage of this idea is the reduction of the time of the design process retrieved from a surrogate model of the resonant half-wave dipole antenna embedded in a medium. However, the design of a new electromagnetic energy harvester with a deep-subwavelength thickness (~ 0.004λ) is the major concern of this work. The proposed structure shows an enhanced level of absorption. Decreasing the thickness of metasurface as a new classification of energy harvester, we have managed to demonstrate the stability of the efficiency. In addition, this metasurface energy harvester proved to maintain a relatively constant performance (efficiency and HPBW more than 85% and 7%, respectively) as the angle of the EM incident wave was changed over a range of 75 degrees in the transverse magnetic (TM) polarization.

研究动机与目标

• 开发一种具有亚波长厚度（约0.004λ）的极超薄电磁能量收集器，用于紧凑高效的能量采集。
• 通过基于谐振半波偶极子天线的代理模型，减少超表面能量收集器的设计时间。
• 确保在不同入射波角度下具有高吸收性和稳定性能，尤其在横磁（TM）极化下。
• 证明此类极超薄超表面可被归类为一类新型能量收集器，具备增强的鲁棒性。

提出的方法

• 采用谐振半波偶极子天线的代理模型，加速超表面能量收集器的设计过程。
• 设计超表面使其厚度约为0.004λ，显著低于传统设计。
• 针对TM极化下的宽角度范围实现高吸收性能。
• 利用电磁仿真验证效率和半功率波束宽度（HPBW）等性能指标。
• 利用偶极子模型的谐振特性指导超表面的几何与材料配置。
• 在入射角高达75°的条件下评估TM极化波的性能，以评估角度稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计出厚度低至0.004λ的超表面能量收集器，同时保持高效率？
• RQ2 基于偶极子的代理模型如何缩短极超薄超表面收集器的设计时间？
• RQ3 该收集器在TM极化下75°入射角范围内的效率和HPBW是否具有角度稳定性？
• RQ4 所提出的结构在不同入射角下能否保持超过85%的效率和超过7%的HPBW？
• RQ5 所提出的极超薄超表面设计是否具备鲁棒性，并适合被归类为一类新型能量收集器？

主要发现

• 超表面能量收集器的厚度达到0.004λ，与传统设计相比显著减小了尺寸。
• 该收集器在75°入射角范围内的TM极化波下效率保持在85%以上。
• 在相同角度范围内，半功率波束宽度（HPBW）保持在7%以上，表明辐射图样性能稳定。
• 基于偶极子的代理模型可实现更快的设计迭代，缩短时间且不降低性能。
• 该结构表现出高吸收性和强鲁棒性，证实其作为一类新型超薄能量收集器的可行性。
• 在斜入射条件下性能保持稳定，凸显该设计在实际部署中的实用潜力。