随着物联网技术的兴起,无线传感器网络的应用变得越来越广泛。收集环境电磁能量来解决低功耗无线传感器的供能问题,已受到各界的关注。近年来,电磁超材料对电磁波性能调控的发展,为电磁能量收集提供了新的思路与方向。本文基于等效媒质理论,研究用于电磁能量收集的超表面,针对极化不敏感特性、宽入射角特性以及与整流电路的结合等三方面进行以下具有创新性的研究工作。第一,提出两种单孔宽角度极化不敏感电磁能量收集超表面。两种超表面的单元结构均呈旋转中心对称,且在靠近中心处开金属通孔收集能量,单孔结构可简化后续的能量汇聚网络。第一款超表面具有大入射角范围,单元为十字贴片的变形。仿真结果表明,由TE、TM波垂直入射时,超表面均工作在5.8 GHz,最大收集效率为88%;当入射角增大至75°时,最大收集效率保持在77%以上。5×5阵列的实验结果与仿真结果较为吻合。第二款超表面工作于四个频率,单元由十字结构演变而成,通过对枝节进行弯折,增加电流回路,产生多谐振频率。仿真结果表明,由TE、TM波垂直入射时,超表面在5.8/9.2/11.7/13.5 GHz频率上的收集效率分别为68%,41%,81%和58%;当入射角增大至45°时,在四个频率上的最大收集效率分别为74%,49%,44%和62%。第二,研究在宽角度范围内极化不敏感电磁能量收集超表面的频率稳定性问题。通过在扇形结构单元四周设置方形金属通孔环,减小单元之间的互耦,从而使宽入射角范围内超表面的工作频率保持稳定。仿真结果表明,由TE、TM波垂直入射时,超表面均工作在5.8 GHz,最大收集效率为91%;当入射角增大至75°时,超表面工作于5.788 GHz,仅有12 MHz偏移,最大收集效率为68%。5×5阵列的实验结果与仿真结果吻合较好。第三,提出一款可集成整流二极管且具有宽带极化不敏感特性的电磁能量收集超表面。超表面单元由菱形拓扑结构演变而成,将四条边弯曲为弧线型以拓展带宽,同时在四个顶点加入扇形贴片,通过产生新的邻近谐振频点来进一步展宽频带。在单元特定位置加入整流二极管,与超表面实现复阻抗共轭匹配;单元间可由电感连接,在实现能量汇聚的同时起到直通滤波器的作用。仿真结果表明,由TE、TM波垂直入射时,在4.5–5.6 GHz(22%)频带内,超表面收集效率均高于90%,最大收集效率为96%,具有宽带特性;二极管在4.5–5.6 GHz内整流效率均高于58%,最高整流效率为62%。