本发明专利技术公开一种用于菲涅耳区域高效无线能量传输(WPT)的超材料天线阵列，应用于无线电力传输，针对现有小尺寸的天线阵列无线电力传输效率不高的问题，本发明专利技术的超材料天线阵列19，包括通过金属通孔连接到馈电网络的多个紧密间隔的亚波长尺寸电LC(ELC)单元；使用Ansys HFSS的遗传算法优化工具和ELC等效设计模型(包括Floquet端口和主/从边界条件)优化电LC(ELC)单元晶胞参数，以在工作频率上实现最大吸收(或辐射)效率和阻抗匹配，采用本发明专利技术天线阵列作为WPT系统的发射天线1与一个接收天线或天线阵列2，无线电力传输效率能够非常接近连续孔径极限值。
【技术实现步骤摘要】
一种用于菲涅耳区域高效无线能量传输的超材料天线阵列
本专利技术属于无线电力传输(WPT)领域，特别涉及一种基于超材料的天线阵列技术。
技术介绍
完整的无线电力传输(WPT)系统设计是一个复杂的设计过程，从上世纪至今受到了广泛关注。我们假设基于远场辐射机制的WPT系统，该系统由直流/交流电源，射频功率源，发射天线，接收天线和整流电路组成。发射和接收天线阵列是辐射WPT系统的重要组成部分，它会显著影响整个WPT系统的效率。在菲涅耳区域，文献“A.F.Kay,“Near-fieldgainofapertureantennas,”IRETrans.AntennasPropag.,vol.AP-8,pp.586-593Nov.1960.”和“G.V.Borgiotti,“MaximumpowertransferbetweentwoplanaraperturesintheFresnelZone,”IRETrans.AntennasPropag.,vol.AP-14,no.8,pp-158-163,Mar.1966.”描述了两个给定连续孔径的发射-接收天线阵列效率的理论评估及其优化。然而，所提出的方法仅对连续孔径的情况有效，而不能描述离散天线阵列的实际情况。文献“W.Geyi,“Foundationsofappliedelectrodynamics”.NewYork,NY,USA:Wiley,2010(pp.273-275).”和“L.ShanandW.Geyi,“Optimaldesignoffocusedantennaarrays,”IEEETrans.AntennasPropag.,vol.62,no.11,pp.5565-5571,Nov.2014.”提供了当考虑离散天线阵列时用于优化孔径照度的方法。该方法可以考虑天线元件之间的相互耦合，并且该方法由于这个原因在很大程度上被推广。在文献“L.ShanandW.Geyi,“Optimaldesignoffocusedantennaarrays,”IEEETrans.AntennasPropag.,vol.62,no.11,pp.5565-5571,Nov.2014.”、“V.R.Gowda,O.Yurduseven,G.Lipworth,T.Zupan,M.S.Reynolds,andD.R.Smith,“Wirelesspowertransferintheradiativenearfield,”IEEEAntennasWirelessPropag.Lett.,vol.15,pp.1865–1868,2016.”、“W.Geyi,“Optimaldesignofantennaarrays,”inProc.IEEEInternationalWorkshoponAntennaTechnology(IWAT),Sydney,NSW,Australia,Mar.2014.”中描述的实际情况中，天线阵列由微带贴片天线构成，其天线单元之间的距离约为0.5λ-0.6λ，其中λ是波长。在这种情况下，除了由于相互耦合引起的最小偏差外，获得的最佳孔径照度非常接近理想长椭球波函数的量化形式。尽管如此，因为天线阵列的面积不大(所以天线单元数量不超过4x4或6x6)，获得的效率仍远不及使用连续孔径天线所能达到的效果。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提出应用一种用于菲涅耳区域高效无线能量传输的超材料天线阵列，通过配备有金属通孔的亚波长尺寸的电LC单元来实现提出的基于超材料的天线阵列。本专利技术采用的技术方案为：一种用于菲涅耳区域高效无线能量传输的超材料天线阵列，包括通过金属通孔连接到馈电网络的多个紧密间隔的亚波长尺寸电LC(ELC)单元。所述电LC(ELC)单元包括：从上到下设置的铜贴片、介电基板12、铜接地层13，还包括穿过介电基板12的金属通孔14和设置于铜接地层13的集总端口15；铜贴片中间包括一呈工字型的开口，工字型的开口外周的环状铜贴片部分记为方形铜环10，与工字型的开口匹配的两条状铜贴片部分记为铜条11。使用AnsysHFSS的遗传算法优化工具和等效模型优化电LC(ELC)单元的晶胞参数，所述晶胞参数包括：相邻ELC单元之间的间隙长度s、方形铜环10的方形环宽度w1、两根铜条11的宽度w2、两根铜条11之间的距离g以及金属通孔14离ELC单元边缘的距离r。所述等效模型包括：主边界条件16、从边界条件17、Floquet端口18，以及限定于主边界条件16和从边界条件17内的单个电LC(ELC)单元。使用AnsysHFSS的遗传算法优化工具和等效模型优化电LC(ELC)单元的晶胞参数的优化目标为：使得电LC(ELC)单元结构在某个特定工作频率上实现最大吸收效率和阻抗匹配。单个电LC(ELC)单元的吸收效率定义为ηms＝(1-|ρrefl|2)·|τ|2其中，ρrefl表示超材料单元对入射平面波的反射率，τ是从电LC(ELC)单元结构的表面到集总端口15的透射系数。所述两条金属条11根据TE或TM极化方向定向。Floquet端口18用于激发TE或TM极化电磁平面波。本专利技术的有益效果：本专利技术的天线阵列由亚波长尺寸的电LC(ELC)超材料单元组成，通过金属通孔馈电，该通孔通过适当合成的馈电网络与电源连接；本专利技术采用全波电磁仿真来计算最佳孔径照度，为每个天线阵列单元提供特定量的功率和特定的相位差；与传统的微带贴片传输天线阵列相比，基于超材料的天线阵列能更好地综合连续孔径的最佳延长椭球波函数和球相分布，从而提高了WPT效率，尤其是对于小尺寸的天线孔径，提升效果显著。附图说明图1为WPT环境中的发射天线阵列和接收天线阵列，以及等效网络的相对输入端口；图2为传统的探针馈送的微带贴片天线，以及两个WPT系统；图3为图2中所示WPT系统的模拟WPT效率；图4为本专利技术采用的ELC单元阵列和单个ELC单元的细节图；图5为本专利技术采用的ELC单元电池及其设计中使用的等效全电磁波仿真模型图；图6为本专利技术的WPT系统；图7为图2和图6中的WPT系统的模拟WPT效率。具体实施方式为便于本领域技术人员理解本专利技术的
技术实现思路
，下面结合附图对本
技术实现思路
进一步阐释。传统的辐射式WPT系统由离散的N个天线单元组成的天线阵列发射孔径1和M个天线元件3组成的接收孔径2实现，它们之间的距离(D是发射天线阵列的孔径尺寸，而λ是波长)。如图1所示。按照文献“W.Geyi,“Foundationsofappliedelectrodynamics”.NewYork,NY,USA:Wiley,2010(pp.273-275).”与“L.ShanandW.Geyi,“Optimaldesignoffocusedantennaarrays,”IEEETrans.AntennasPropag.,vol.62,no.11,pp.5565-5571,Nov.20本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于菲涅耳区域高效无线能量传输的超材料天线阵列，其特征在于，包括通过金属通孔连接到馈电网络的多个紧密间隔的亚波长尺寸超材料单元。/n
【技术特征摘要】
1.一种用于菲涅耳区域高效无线能量传输的超材料天线阵列，其特征在于，包括通过金属通孔连接到馈电网络的多个紧密间隔的亚波长尺寸超材料单元。
2.根据权利要求1所述的一种用于菲涅耳区域高效无线能量传输的超材料天线阵列，其特征在于，所述超材料单元包括：从上到下设置的铜贴片、介电基板(12)、铜接地层(13)，还包括穿过介电基板(12)的金属通孔(14)和设置于铜接地层(13)的集总端口(15)；铜贴片中间包括一呈工字型的开口，工字型的开口外周的环状铜贴片部分记为方形铜环(10)，与工字型的开口匹配的两条状铜贴片部分记为铜条(11)。
3.根据权利要求2所述的一种用于菲涅耳区域高效无线能量传输的超材料天线阵列，其特征在于，使用AnsysHFSS的遗传算法优化工具和等效模型优化超材料单元的晶胞参数，所述晶胞参数包括：相邻超材料单元之间的间隙长度s、方形铜环(10)的方形环宽度w1、铜条(11)的宽度w2、两根铜条(11)之间的距离g以及金属通孔(14)离超材料单元边缘的距离r。
4.根据权利要求3所述的一种用于菲涅耳区域高效无线能量传输的超材料天线阵列，其特征在于，所述等效模型包括：主边...
【专利技术属性】
技术研发人员：殷丹，杨钊，赵发定，文光俊，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51
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