用于评估电磁超表面的无线射频功率传输效率的计算方法技术

本发明专利技术涉及一种用于评估电磁超表面的无线射频功率传输效率的计算方法，至少解决基于超表面的无线能量传输系统的射频传输效率难以准确快速评估的问题。本发明专利技术方法主要通过数值计算的方式评估基于超表面的无线能量传输系统的射频传输效率，相比传统的计算公式大大提高了近场的评估准确性，相比仅通过仿真计算具有快速高效的特点，可以用于简化基于超表面的无线能量传输系统的设计与验证过程，对于开发基于超表面的远程、大功率无线能量传输技术和物联网技术具有重要意义。和物联网技术具有重要意义。和物联网技术具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
用于评估电磁超表面的无线射频功率传输效率的计算方法


[0001]本公开涉及无线能量传输技术，尤其涉及一种用于评估电磁超表面的无线射频功率传输效率的计算方法。

技术介绍

[0002]无线能量传输技术(Wireless Power Transfer，WPT)已经被广泛应用，例如移动设备、可穿戴设备、可植入式医疗设备和电动汽车。这些应用大多采用基于电感耦合或谐振耦合的固定无线充电方法，然而这两种方法只适合用于在近场范围内进行充电。另一方面，对于距离大于1m的长距离能量传输，只能通过微波辐射传输。微波在空间中的传输伴随着强烈的衰减和损耗，为了解决这个问题，当下新型的微波功率传输(Microwave Power Transfer，MPT)系统通常采用带有波束赋形技术的发射天线。在远场区域，高增益定向波束能够增大传播距离和传输功率，近场聚焦波束能将电磁波汇聚在近场区域外边界以内的某一点。因此，近场聚焦波束可以提高电磁能量的近场传输效率，通常被采用在近场范围内的WPT系统中。
[0003]Friis公式和Goubau公式因其具有简单的计算形式而被广泛使用，但是在菲涅尔区和感应近场区还是会产生较大的误差，因此关于WPT效率的分析方法仍被广泛研究。改进的Friis公式和Goubau公式分别于2013年和2018年被提出。2021年，一种计算大型阵列天线之间WPT效率的计算方法被提出，然而，针对当下先进的基于超表面的WPT系统中的传输效率，还没有一种简单有效的数值计算方法。目前使用High Frequency Structure Simulator(HFSS)等商业电磁仿真软件，对WPT系统中的超表面和接收天线的结构以及周围电磁环境进行建模，可以得到非常准确的结果。但是随着WPT技术的发展，传输功率和传输距离的增长，天线口径也不断增大。这就导致电磁仿真需要很长的时间和大量的计算资源，有时可能根本无法进行仿真。因此提出一种能够准确计算超表面的WPT效率的数值计算方法是非常有必要的。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术，本专利技术要解决的问题至少是：因超表面口径过大而难以评估近场传输效率、不能根据波束形状的不同计算不同情况下的传输效率、以及如何高效快速地得到准确结果。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
[0006]第一方面，本专利技术提出一种用于评估电磁超表面的无线射频功率传输效率的计算方法，所述方法包括下述步骤：
[0007]获取第m个超表面单元的几何中心到接收天线的相位中心距离R
m
，m＝1，2，
…
，M，M是超表面单元的总数；
[0008]获取第m个超表面单元到接收天线的辐射电场E
m
；
[0009]基于所述距离R
m
和E
m
，按下式计算接收天线的接收功率P
H
：
[0010][0011]式中：η表示空间波阻抗；
[0012]获取输入馈源的馈电功率P
F
，利用计算超表面到接收天线的传输效率。
[0013]在上述技术方案中，本专利技术将超表面单元视作独立的辐射单元，通过单个单元的口径小且远场范围广，克服传统方法因超表面口径过大而难以评估近场传输效率的问题。在计算时，基于场的叠加原理，将每个超表面单元的辐射电场进行矢量叠加，从而求得超表面到接收天线的传输效率的表达式，大大提高了无线能量传输系统近场射频效率评估的准确性。
[0014]在上述技术方案中，所述辐射电场的一种获取方式包括下述步骤：
[0015]获取第m个超表面单元到接收天线的辐射功率密度W
m
；
[0016]获取第m个超表面单元的辐射相位β
m
；
[0017]根据下式计算第m个超表面单元到接收天线的辐射电场E
m
：
[0018][0019]在上述技术方案中，所述辐射功率密度W
m
的一种获取方式下述步骤：
[0020]获取第m个超表面单元到接收天线的接收功率
[0021]通过下式计算获得辐射功率密度W
m
：
[0022][0023]将公式(3)代入公式(2)，得到如下计算式：
[0024][0025]在这个技术方案中，如果获取了第m个超表面单元到接收天线的接收功率第m个超表面单元的辐射相位β
m
以及第m个超表面单元的几何中心到接收天线的相位中心距离R
m
，m＝1，2，
…
，M，M是超表面单元的总数，可计算得到E
m
，从而能够计算超表面到接收天线的传输效率。
[0026]在上述技术方案中，所述第m个超表面单元到接收天线的接收功率的一种获取方式包括下述步骤：
[0027]以第m个超表面单元的相位中心为原点建立直角坐标系；
[0028]基于直角坐标系的空间单位向量进而获取接收天线的坐标向量
[0029]基于坐标向量的俯仰角θ
m
、方位角获取第m个超表面单元在方向上的与接收天线联合极化状态下的实际增益一种获取方式是通过仿真获取，仿真条件为无限周期边界，考虑单元耦合；并获取接收天线在方向上的与第m个
超表面单元联合极化状态下的实际增益一种获取方式是通过仿真或者暗室多探头测量的方式获取；
[0030]获取第m个超表面单元的出射功率
[0031]利用下式计算第m个超表面单元到接收天线的接收功率
[0032][0033]式中：λ是工作波长。
[0034]将公式(5)代入公式(4)，可得如下计算式：
[0035][0036]在上述技术方案中，所述获取第m个超表面单元的出射功率一种获取方式包括下述步骤：
[0037]获取第m个超表面单元的单元尺寸，进而获取幅度响应S
m
(l)；
[0038]获取第m个超表面单元的入射功率
[0039]基于下式计算第m个超表面单元的出射功率
[0040][0041]将公式(7)代入公式(6)，可得如下计算式：
[0042][0043]在上述技术方案中，所述获取第m个超表面单元的辐射相位β
m
，一种获取方式包括下述步骤：
[0044]获取第m个超表面单元的单元尺寸，继而获取相位响应
[0045]获取第m个超表面单元到馈源天线的中心相位的距离
[0046]根据下式计算第m个超表面单元的辐射相位β
m
：
[0047][0048]式中：k表示自由空间波数。
[0049]将公式(9)代入公式(2)、(4)、(6)、(8)的任一公式均可得到一个新的计算第m个超表面单元到接收天线的辐射电场E
m
，其中一种计算式为如下：
[0050]将公式(10)代入公式(1)，可得：
[0051][0052]从本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于评估电磁超表面的无线射频功率传输效率的计算方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：获取第m个超表面单元的几何中心到接收天线的相位中心距离R
m
，m＝1，2，
…
，M，M是超表面单元的总数；获取第m个超表面单元到接收天线的辐射电场E
m
；基于所述距离R
m
和E
m
，按下式计算接收天线的接收功率P
H
：式中：η表示空间波阻抗；获取输入馈源的馈电功率P
F
，利用计算超表面到接收天线的传输效率。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述辐射电场通过下述步骤获取：获取第m个超表面单元到接收天线的辐射功率密度W
m
；获取第m个超表面单元的辐射相位β
m
；根据下式计算第m个超表面单元到接收天线的辐射电场E
m
：3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述辐射功率密度W
m
通过下述步骤获取：获取第m个超表面单元到接收天线的接收功率通过下式计算获得辐射功率密度W
m
：4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第m个超表面单元到接收天线的接收功率通过下述步骤获取：以第m个超表面单元的相位中心为原点建立直角坐标系；基于直角坐标系的空间单位向量进而获取接收天线的坐标向量基于坐标向量的俯仰角θ
m
、方位角获取第m个超表面单元在方向上的与接收天线联合极化状态下的实际增益并获取接收天线在方向上的与第m个超表面单元联合极化状态下的实际增益获取第m个超表面单元的出射功率利用下式计算第m个超表面单元到接收天线的接收功率利用下式计算第m个超表面单元到接收天线的接收功率式中：λ是工作波长。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述获取第m个超表面单元的出射功率包括下述步骤：获取第m个超表面单元的单元尺寸，进而获取幅度响应S
m
(l)；获取第m个超表面单元的入射功率
基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李龙，武啸楠，薛皓，张松，李奕岑，赵世豪，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：