聚焦型电磁超表面无线能量传输理论与关键技术研究

发布时间：2020-09-01 08:01

　　近年来,无线能量传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术已经逐渐进入了人们的视野,特别在智能终端,物联网,人体局域网,智能家居设备以及工业电动汽车等领域,已经实现了无线能量传输技术的商用化。然而随着WPT技术的不断发展,人们对于无线能量传输的效率与作用距离也提出了越来越高的需求。电磁超表面作为一种可以灵活调控电磁波相位,幅度以及极化的新方法,它的发展带来了很多新概念和应用的潜在可能性。本论文以电磁超表面以及无线能量传输两个技术领域作为切入点,主要研究利用反射电磁表面来实现无线能量的聚焦传输,同时研究微波能量的转换问题,包括射频整流电路的设计与匹配,旨在建立一个以聚焦型反射电磁表面为核心的高效微波无线能量传输方案。此外,针对未来通信系统的盲区覆盖问题,研究利用反射电磁表面来实现信号覆盖的问题。本文具体的研究工作包括以下几个方面:1.基于反射电磁表面的近场聚焦设计。对于不同馈源焦点数量情况下的聚焦电磁表面分别进行了理论分析与设计,包括单馈源单焦点,单馈源双焦点,以及双馈源单焦点与双馈源双焦点四种不同情况。设计了具有极化焦点独立调控特性的聚焦表面,当馈源的极化改变时,聚焦表面产生的焦点位置会相应变化。重点提出了一种新的设计思想,即多焦点不等功率分配的设计,使得聚焦位置处的能量分配具有可调节性。加工了两块阵面规模为390mm×390mm工作于10GHz的聚焦反射电磁表面,实验结果表明该设计很好的实现了无线能量的空间分集功能,且具有极化焦点独立调控以及焦点功率分配可调的特点。2.射频整流电路的研究与设计。讨论了不同输入功率及频率下整流电路的设计,具体设计了一款应用于低输入功率下的2.45GHz整流电路,采用加载高次谐波抑制支节的匹配网络,抑制高次谐波的反射,将射频能量集中阻隔在整流二极管部分。实验结果表明,在输入功率为-20dBm的情况下,能获得28%的整流效率,-10dBm的情况下,能获得42%的整流效率。仿真设计了一款工作在10GHz的整流电路,在输入功率为5dBm时,仿真效率可达67%。3.基于双层十字结构的反射电磁表面研究。设计了一种基于双层十字结构的新型电磁表面单元,可以获得超过500°的反射相移范围且相移曲线的线性度较好,单元整体具有良好的双极化正交保持性以及极化角度稳定性。仿真设计了一款规模16×16的定向波束反射电磁表面,1dB方向性系数带宽约为20.7%;并通过数值仿真模拟了定向波束反射电磁表面对于信号盲区的覆盖能力。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM724
【部分图文】：

究现状线能量传输技术纪末期，人们对于无线能量传输已经展开了研究。一次 WPT 实验，他试图通过 150kHz 的无线电波传输大，最后由于无线功率的扩散而实验失败，原因是没有天线的口径。在 Nikola Tesla 失败以后，无线电波的和遥感技术的研究。然而，无线通信和遥感技术的进步直到二十世纪六十年代，Brown 利用高频微波技术重也得益于二战期间无线通信以及雷达遥感技术的快率磁控管开展了大量实验，并开创性的提出了整流天能量。1963 年，第一个整流天线诞生，在输出功率流效率[36]。1975 年，Brown 和 Dickinson 的团队成功的地对地 WPT 实验[38]，如图 1.1 所示。

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(a)(c)相控阵 WPT 实验，(a)相控阵技术的 WPT 实验驱动无阵发射天线[40]，(c) MIT 团队及其 WPT 实验实物图片[4能量传输的研究起步较晚，1994 年电子科技大概念，此后国内学者才开始了对于这一领域的的王鹏飞等人开展了微波输能驱动微机器人实验款高清“无尾电视”，该电视基于磁耦合谐振技转换，如图 1.3 所示。

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其结构如图 1.4(b)，再次让左手媒质被评为当年度十大科学进展之一。(a) (b)图1.4 人工电磁媒质的发展，(a)左手材料[45]，(b)隐身斗篷[47]近年来，人工电磁材料的发展十分迅速，然而随着技术的发展以及需求的变化，传统块状三维结构的人工电磁媒质所存在的尺寸大、难于集成的问题阻碍了其应用发展。平面二维或准二维结构的电磁超表面逐渐进入了研究人员的视野。电磁超表面概念确立的创造性工作是哈佛大学 Capasso 教授在 2012 年的《科学》杂志中提出了广义 Snell 定律的概念[48-51]，图 1.5 为该概念的示意图，利用电磁超表面单元的相位调控功能引入相位梯度的概念，从而实现了入射波的异常反射，折射现象。广义 Snell定律的提出为电磁超表面的设计提供了新的思路，即通过调整电磁表面单元间的相位梯度从而达到调控反射波或透射波传播特性的目的；在此概念提出以前

【参考文献】