无线通信已成为现代技术飞速发展过程中不可或缺的重要元素，它改变了人们与环境的连接和互动方式。无线传感器网络（WSN）推动了变革范式的技术进步，促进了无线通信与我们日常生活诸多方面的融合，并已在环境监测、医疗保健和工业自动化等领域获得了广泛应用。
传统电源的局限性，限制了无线传感器的更广泛部署。为了有效满足对可持续和自供电能源系统日益增长的需求，探索创新解决方案势在必行。随着能源需求的不断增长，以及采用可持续方案的迫切需要，人们越来越重视研究并推进创新、高效的能量收集技术。传统电力系统需要依赖有限的资源，对环境造成了不利影响。因此，当务之急是转向替代能源。能量收集是一种从周围环境中捕获能量，并将其转化为实际用电的新概念。这种方法有望大幅延长无线传感器节点的使用寿命，同时将其对环境的影响降至最低。
超构材料（metamaterials）研究在可持续能源解决方案方面具有巨大的潜力。超构材料是一种人工亚波长结构，具有天然材料所不具备的电磁特性。这种材料具有出色的负折射和电磁隐形等特性，具有操控电磁辐射的卓越能力，使其成为解决传统电力系统所面临障碍的一种有吸引力且前景广阔的替代方案。
超构材料吸波器（MMA）是超构材料领域令人着迷的前沿研究领域之一。具有特殊特性的超构材料经过精心设计，可与电磁波有效地相互作用。其亚波长结构（如谐振器）可用于在特定频率范围实现极高的吸收效率。超构材料吸波器已成为一种前景广阔的技术，有望变革能量收集方法，尤其是在无线传感器网络等应用中。这些超构材料吸波器在捕获和耗散电磁能量方面非常有效，为提高电力系统的效率和可持续性提供了一种独特的方法。这一发现是寻求创新、生态友好型能源解决方案的一个重要里程碑。
超构材料吸波器（MMA）示例
利用超构材料进行电磁能量收集的广泛研究推动了该领域的发展。然而，当前的设计仍然存在固有的约束和限制。某些设计会导致超构材料结构相当庞大，使其不适合有严格尺寸和重量限制的应用。此外，许多现有设计仅限于有限的吸收频段范围，限制了它们从更广泛电磁频谱中捕获能量的能力，降低了整体通用性。不仅如此，电磁能量收集应用还需要重点开发更小、更灵活、更高效的超构材料结构。
据麦姆斯咨询介绍，马来西亚国立大学的研究人员开发了一种结构紧凑、广角、对偏振不敏感的超构材料能量收集器，它可以有效采集S、C、X和Ku波段的电磁能量。该研究成果已经以“Design and development of a compact, wide-angle metamaterial electromagnetic energy harvester with multiband functionality and polarization-insensitive features”为题发表于Scientific Reports期刊。
超构材料能量收集器结构示意图
（a）使用矢量网络分析仪（VNA）对超构材料能量收集器单元进行测量的设置。（b）制造出的超构材料能量收集器单元及阵列。
测量的反射系数（红线）和模拟的反射系数（黑色）与频率的关系
该收集器单元由一个分裂环谐振器、两条带状线和两条分裂带状线组成，总体尺寸为10 mm x 10 mm。每个分裂间隙都填充有一个50 Ω的电阻负载。超构材料能量收集器的输入阻抗经过精确设计，与自由空间的输入阻抗相匹配，从而能够有效吸收电磁功率，并将其适当地重新导向电阻负载。考虑到横向电和横向磁模式，研究人员还对各种偏振和入射角度下的收集性能进行了评估。模拟结果表明，所开发超构材料能量收集器的转换效率高于95%。实验数据与全波模拟之间的强相关性，有力证明了该能量收集器的有效性。因此，这种超构材料能量收集器的效率和紧凑尺寸，使其非常适合用于无线传感器网络节点中的能量收集系统。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41598-024-69976-2
