CN107769298A - 一种动态可调频超表面结构无线充电器件及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种动态可调频超表面结构无线充电器件及其应用，包括能量转换单元以及功能层；功能层包括液态金属超表面结构层且以能量转换单元为轴且沿圆周分布，形成圆周分布超表面；或者功能层还包括接地金属层，功能层以能量转换单元为圆心且沿径向分布，形成径向分布超表面；液态金属超表面结构层包括介质基板和设置在介质基板上的若干个超表面结构单元；每个超表面结构单元均包括设置在介质基板上的液态金属收集器、电解质溶液收集器以及环形的超表面结构单元通道，液态金属收集器和电解质溶液收集器均匀分布且与超表面结构单元通道相连通。在无线充电中，本发明液态金属超表面结构能够实现相位动态可调，对波源的汇聚效果强。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电领域，特别涉及一种动态可调频超表面结构无线充电器件及其应用。
背景技术
无线充电技术是指通过电磁感应、电磁共振、射频、微波、激光等方式实现非接触式电能传输的技术，被视为具有基础应用性意义的前沿科技，在电动汽车、体内植入式医疗器械、小型机器人、便携式智能设备、物联网设备充电中有着巨大的应用价值。
当前无线充电技术面临的主要挑战之一是如何在一个合理的距离上获得较高的传输效率。现在最成熟的是电磁感应无线充电技术，这种方式下的能量传递主要是在较低的频率下通过原副线圈之间耦合的无辐射磁场进行。由于这种近场电感应方式的无线充电系统对于人体相对安全并且在较短的距离内有较高的效率，所以已经有很多的商业化尝试。但是由于近场耦合会随着原副线圈之间的距离增大迅速下降(以距离倒数的六次方下降)，因此近场无线充电方案要求接收装置距离能量源足够近。这种近距离的约束极大地限制了无线充电技术的应用；电磁感应无线充电对充电距离具有要求，而高频微波可实现远场无线充电，可以在较长的距离下实现能量的传输，尤其是难以到达的区域(如危险区域、狭窄空间等)或是目标内嵌于其它设备的情况。
无线充电技术需要解决的另一个难题是如何为移动目标供电。如果是被充电目标是移动的，无线充电系统还需拥有机械扫描或者电子参数可调节的功能。
射频系统使用一个或多个天线传输能量并进行通信。如使用现有的wifi信号、蓝牙和手机信号实现数据通信和无线功率接收，然后将这些微波信号能量能流转化为直流电能，直接实现对小功率电子设备的无线充电；通过大幅提高体系供电量、供电距离及效率，有望驱动功耗高达数十千瓦的电动汽车等设备，进一步推动无线充电技术的发展。
超表面结构是一种亚波长厚度的人工微结构单元，具有可以有效操控电磁波的相位、振幅及传播模式等特性，通过合理的结构设计产生相位突变实现波束调控，可以通过多种结构和方式将微波或声波信号能量高效集中起来，转换成直流电流用于无线充电。
目前设计的超表面结构基本都是平面形式，仅能通过可调实现正面方向入射波的汇聚和转换，汇聚效果差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种动态可调频超表面结构无线充电器件及其应用，制得的充电器件能够面向移动目标且动态可调频。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
包括能量转换单元以及功能层；功能层以能量转换单元为圆心且沿径向分布，形成径向分布超表面；或者功能层以能量转换单元为轴且沿圆周分布，形成圆周分布超表面；
在径向分布超表面中，功能层包括依次叠层设置的液态金属超表面结构层和接地金属层；在圆周分布超表面中，功能层包括液态金属超表面结构层；液态金属超表面结构层包括介质基板和设置在介质基板上的若干个超表面结构单元；
每个超表面结构单元均包括设置在介质基板上的液态金属收集器、电解质溶液收集器以及环形的超表面结构单元通道，液态金属收集器和电解质溶液收集器均匀分布在超表面结构单元通道的四周且与超表面结构单元通道相连通。
进一步地，介质基板的材质为PDMS或Ecoflex塑料。
进一步地，液态金属收集器和电解质溶液收集器均为两个，且液态金属收集器和电解质溶液收集器呈中心对称分布。
进一步地，液态金属采用镓或镓基液态金属合金。
进一步地，径向分布超表面的相位梯度满足以下公式：
其中θi是波源的入射角，ni是空气中的折射率，k0是波矢。
进一步地，圆周分布超表面上每个位置的超表面结构单元的相位为：Φ＝k0(r-rcosθ)；
其中，k0是波矢，r为圆周分布超表面的半径，θ为超表面结构单元(8)平面法线方向与平面波传播方向的夹角。
进一步地，液态金属超表面结构层的厚度为1～6mm。
如上所述动态可调频超表面结构无线充电器件在无线充电中的应用，采用电控液态金属的调节方式实现超表面结构调整，通过调整后的超表面结构实现波的汇聚，经过能量转换，完成无线充电。
进一步地，具体包括以下步骤：
(1)先通过广义反射定律计算出径向分布超表面的相位梯度或者根据相位补偿原理推导出圆周分布超表面上每个位置的超表面结构单元的相位Φ；
(2)通过在液态金属收集器和电解质溶液收集器处施加电压，控制液态金属进入注满电解质溶液的超表面结构单元通道中，形成开口谐振环结构，通过控制施加电压的方向实现开口谐振环结构开口方向的调整，通过控制施加电压时间的长短实现开口谐振环结构开口角度大小的调整，直至满足步骤计算的相位梯度或者相位，完成超表面结构调整；
(3)波源发出的传播波经过径向分布超表面后转换成表面波集中到能量转换单元上，或者波源发出的传播波经过圆周分布超表面后直接形成透射波汇聚到能量转换单元上，由能量转换单元将表面波或透射波转换成直流电流，完成无线充电。
进一步地，步骤(2)中施加电压是分别在液态金属收集器的液态金属以及电解质溶液收集器的电解质溶液中接入电源正极和电源负极，形成回路；在实现开口谐振环结构开口方向的调整过程中，液态金属收集器的液态金属中接电源正极，电解质溶液收集器的电解质溶液中接电源负极，在收回开口谐振环结构中的液态金属时，将电源正极和电源负极反转。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的介质基板用于加工各种单元结构填充液态金属，液态金属超表面结构用于汇聚电磁波或声波，能量转换单元用于将汇聚的电磁波或声波能量转换成直流电流，从而实现无线充电。本发明基于超表面原理设计成无线充电器件，通过两种超表面结构，且其中的超表面结构单元包括液态金属收集器、电解质溶液收集器和超表面结构单元通道，能够实现相位动态可调，从而实现任意频率、方向、极化的电磁波或声波等波源的汇聚吸收，克服目前设计的平面形式的超表面仅能通过可调实现正面方向入射波的汇聚和转换的缺陷，汇聚效果强；且本发明两种超表面结构，对不同方向电磁波或声波等波源的入射呈现对称形式，便于超表面动态调节。本发明设计结构简单，同时波源来源广泛，易于获取，成本低廉；通过使用液态金属填充超表面单元结构可实现对收集波源频率的调节，适用于特殊环境(如狭窄空间或辐射空间等)和移动目标的无线充电。
进一步地，本发明液态金属收集器和电解质溶液收集器均采用两个即可完成两个开口方向的调整，配合不同开口大小调整就能够实现360°范围的相位调节。
进一步地，本发明液态金属超表面结构层厚度小，体积小。
本发明方法中基于超表面很好的波前调控性质，利用液态金属的流动性以及在电场作用下产生移动和变形的性质，通过调控施加电压大小、气泵压力大小或施加拉力调节单元结构的参数等调控方式，得到在不同频率下2π范围的相位梯度，从而实现对不同频率和入射方向上的电磁波和声波的能量集中，大幅度提高能量收集的效率，并通过能量转换单元将能量转换成直流电流用于实现无线充电。本发明解决了现有无线充电技术传输距离短、效率不高以及在特殊环境应用受限的问题，在电动汽车、体内植入式医疗器械、小型机器人、便携式智能设备、物联网设备充电中有着巨大的应用价值。
附图说明
图1(a)是径向分布超表面结构无线充电器件的结构示意图；图1(b)是圆周分布超表面结构无线充电器件的结构示意图。
图2是径向分布超表面结构无线充电示意图。
图3是广义反射定律的原理示意图。
图4是径向分布超表面的电场分布图。
图5是圆周分布超表面结构无线充电示意图。
图6是圆周分布超表面的电场分布图。
图7(a)是超表面结构单元的结构示意图；图7(b)是实现315°开口液态金属伸长的原理示意图，图7(c)是实现315°开口液态金属收回的原理示意图，图7(d)是实现45°开口液态金属伸长的原理示意图，图7(e)是实现45°开口液态金属收回的原理示意图。
其中：1-液态金属超表面结构层，2-介质基板，3-接地金属层，4-能量转换单元，5-液态金属收集器，6-电解质溶液收集器，7-超表面结构单元通道，8-超表面结构单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1(a)和图1(b)所示，为本发明动态可调频超表面结构无线充电器件的两种结构，径向分布超表面结构和圆周分布超表面结构；两种结构可以实现相同的功能，但是所根据的设计原理不同，径向分布超表面采用的是广义反射定律进行相位梯度设计，圆周分布超表面采用的是相位补偿进行相位梯度设计。
本发明两种结构均包括能量转换单元4以及功能层；功能层以能量转换单元4为圆心且沿径向分布，形成径向分布超表面；或者功能层以能量转换单元4为轴且沿圆周分布，形成圆周分布超表面。
在圆周分布超表面中，功能层包括液态金属超表面结构层1；液态金属超表面结构层1的厚度为1～6mm。液态金属超表面结构层1包括介质基板2和设置在介质基板2上的若干个紧密排列分布的超表面结构单元8，超表面结构单元8的尺寸大小不同。
其中，介质基板2以填充液态金属的方式，用于加工各种超表面结构单元8，介质基板2的材质使用具有惰性、无毒、不易燃和疏水性的弹性材料，优先选择PDMS或Ecoflex塑料等。液态金属采用镓或镓基液态金属合金，镓基液态金属合金优先采用镓铟合金或镓铟锡合金等。
参见图7(a)，每个超表面结构单元8均包括设置在介质基板2上的两个液态金属收集器5、两个电解质溶液收集器6以及一个环形的超表面结构单元通道7，液态金属收集器5和电解质溶液收集器6呈中心对称分布在超表面结构单元通道7的四周且与超表面结构单元通道7相连通。
液态金属超表面为能量汇聚功能层，包括液态金属单元结构径向分布的超表面和液态金属单元结构圆周分布的超表面，通过合理设计并排列这些单元结构，精确控制相位突变，将电磁波或声波的能量汇聚集中起来。本发明的超表面液态金属单元结构为亚波长结构，可以接收圆周360°各个方向上的任意极化宽频带的平面波，平面波属于传播波的一种。
能量转换单元4用于将汇聚的电磁波或声波能量转换成直流电流，从而实现无线充电。
本发明基于超表面很好的波前调控性质，利用液态金属的流动性以及在电场作用下产生移动和变形的性质，构成超表面可调结构单元8，通过调控施加电压大小、泵压力大小或施加拉力调节单元结构的参数等调控方式，其中使用泵调节是通过控制空气泵和液态金属泵之间的压力差实现液态金属在通道中伸长或缩短，达到控制目的；施加压力是对注入液态金属的超表面单元进行横向或纵向拉伸改变超表面单元形状实现调节。得到在不同频率下2π范围的相位梯度，从而实现对不同频率和入射方向上的电磁波和声波的能量集中(广义反射定律确定的相位梯度)，大幅度提高能量收集的效率，能量转换单元4将超表面结构收集到的电磁波或声波能量转换成直流电流用于实现无线充电。本发明基于超表面原理设计的无线充电器件设计结构简单，厚度远小于波长，仅为1/10～1/25波长。
本发明提供了一种超薄可调频超表面结构无线充电器件，放置在波源中，波源是来自于外围任意地方的各种类型的波，比如在本发明无线充电器件周围存在电磁波或声波的环境中，就可利用电磁波或声波能量充电，解决了现有无线充电技术传输距离短、效率不高以及在特殊环境应用受限的问题，在电动汽车、体内植入式医疗器械、小型机器人、便携式智能设备、物联网设备充电中有着巨大的应用价值。
本发明采用电控液态金属的调节方式实现超表面结构调整，通过调整后的超表面结构实现波的汇聚，经过能量转换，完成无线充电；充电的步骤主要包括：
(1)先通过广义反射定律计算出径向分布超表面的相位梯度或者根据相位补偿原理推导出圆周分布超表面上每个位置的超表面结构单元8的相位Φ；
(2)通过在液态金属收集器5和电解质溶液收集器6处施加电压，控制液态金属进入注满电解质溶液的超表面结构单元通道7中，形成开口谐振环结构，通过控制施加电压的方向和施加电压时间的长短，实现开口谐振环结构的开口方向和开口角度大小的调整，直至满足步骤1计算的相位梯度或者相位，完成超表面结构调整；
其中，施加电压是分别在液态金属收集器5的液态金属以及电解质溶液收集器6的电解质溶液中接入电源正极和电源负极，形成回路；在实现开口谐振环结构开口方向的调整过程中，液态金属收集器5的液态金属中接电源正极，电解质溶液收集器6的电解质溶液中接电源负极，在收回开口谐振环结构中的液态金属时，将电源正极和电源负极反转。
不同超表面结构单元8中同一位置处的液态金属收集器5通过导线相连，同一位置处的电解质溶液收集器6通过导线相连，最终引出四根导线，方便电极连接。
(3)波源发出的传播波经过径向分布超表面后转换成表面波集中到能量转换单元4上，此处的表面波是指沿任意方向的传播波经过径向分布超表面后转换成平行于径向分布超表面的波；或者波源发出的传播波经过圆周分布超表面后直接形成透射波汇聚到能量转换单元4上，由能量转换单元4将表面波或透射波转换成直流电流，完成无线充电。
下面根据具体设计例和附图对本发明做进一步说明。
实施例1：如图2所示为径向分布超表面结构无线充电示意图，该结构有两层：液态金属超表面结构层1和接地金属层3。当电磁波入射到超表面时，通过超表面的相位梯度，将入射的平面波转化为一系列的表面波，沿着超表面传播最终汇聚在超表面的中心。沿径向分布液态金属超表面结构单元8，根据广义斯涅尔反射定律设计梯度分布的相位，通过控制施加电压的大小或通过气泵改变压力大小调控液态金属结构单元8的结构参数，实现相位分布的调控(相位梯度)。
如图3所示，根据广义反射定律：
其中θi是波源如电磁波的入射角，θr是经过径向分布超表面后的反射角，ni是空气中的折射率取值为1，k0是波矢，是径向分布超表面的相位梯度，也就是相邻的超表面结构单元8之间的相位差。这里需要将入射的平面波转化为各个表面波(θr＝90°)，根据具体频率可以计算出对应的波矢就可以由入射角计算出径向分布超表面的相位梯度
当频率为wifi信号2.4GHz时，超表面采用向介质基板2填充液态金属的开口谐振环结构，开口方向采用45°和315°两种。根据设计的超表面相位梯度，确定径向超表面上各个单胞的开口角度和方向，通过控制两种开口方向单胞的开口大小可以实现工作频率下2π范围的相位调节，通过调控施加电压大小或者气泵控制压力大小调节开口谐振环的开口角度和方向，具体控制过程同下述实施例2，从而确定超表面的结构。
图4为2.4GHz频率下所设计的径向分布超表面仿真后的表面波电场分布图，当设计制备的超表面结构位于wifi信号覆盖范围内时，传播波转换成表面波并且集中到超表面径向结构的中心，转换为直流电流，设计的能量集中效率达到80％以上，实现对移动目标的可调动态无线充电。
实施例2：如图5所示为超表面单元结构沿圆周分布的超表面结构无线充电示意图。当电磁波入射到超表面结构时通过高透射率的单元结构构建相位梯度，实现对透射场的重建，达到将电磁波集中的效果。
基于电磁超表面互易性，这里从反向进行设计，假设超表面中心放置柱面波波源，超表面单元结构垂直于半径，可视为正入射。根据相位补偿原理推导出公式：Φ＝k0(r-rcosθ)确定每个位置的单元结构所需要补偿的相位。其中Φ为液态金属超表面结构层1对应θ角度上超表面结构单元8应具备的相位，波矢当频率2.4GHz的wifi频率下，可以直接计算出波矢，θ为超表面结构单元8平面法线方向与平面波传播方向的夹角。
当频率为wifi信号2.4GHz时，超表面采用向介质基板2填充液态金属的开口谐振环结构，采用开口方向在45°和315°的两种开口谐振环结构，与实施例1不同的是，这里设计结构只有液态金属超表面结构层1一层构成。随着开口大小的改变，单元结构的相位可以实现2π范围内的改变，并且透射率同样保持在极高的范围内。根据相位补偿原理计算公式，可以得到圆周各个位置上单元结构的相位，根据相位曲线确定各个位置开环谐振环的开口方向及开口大小，从而完成整个超表面结构设计。
从图6圆周分布超表面仿真后的电场分布图，可以看出超表面结构实现了很明显的电磁波汇聚效果。
本发明实例中采用的是开口方向在45°和315°的两种开口谐振环结构，其调节方法采用电化学方法控制，通过添加电极来控制液态金属在通道中变形实现开口谐振环开口大小的动态调节，从而直接控制各个超表面结构单元8的透射或反射相位产生需要的相位梯度，最终将电磁波或声波能量汇聚并转换成直流电流实现无线充电。控制方案设计如图7(a)，包括以下几个部分：5、液态金属收集器，6、电解质溶液收集器，7、超表面结构单元通道，其与各个储存器连通。电解质溶液收集器6中的电解质溶液可以是氢氧化钠溶液或者盐酸溶液等。
超表面结构单元通道7的中心为坐标原点，建立XOY直角坐标系，如图7(b)至图7(e)所示，具体控制过程如下：
1、首先向超表面结构单元通道7中注满电解质溶液，当需要形成315°开口方向的开口谐振环结构时，在135°方向上的液态金属收集器5处添加正电极，在315°方向上的电解质溶液收集器6添加负电极，液态金属会从两边伸长并向负电极区域靠拢，从而控制开口大小，如图7(b)；当需要收回液态金属时，将电极反转，如图7(c)。
2、当需要形成45°开口方向的开口谐振环结构时，将电极反接，在135°方向上的液态金属收集器5处添加负电极，在315°方向上的电解质溶液收集器6处添加正电极，把液态金属全部收入收集器中；然后在225°方向上的液态金属收集器5处添加正电极，在45°方向上的电解质溶液收集器6处添加负电极，来控制开口在45°方向上，通过控制通电时间来实现开口角度大小的调节，如图7(d)；当需要收回液态金属时，将电极反转，如图7(e)。
本发明介绍了工作在wifi频率2.4GHz条件下，通过亚波长结构的超表面实现对电磁波能量的汇聚及收集，经过合理的设计可以实现对移动目标的可调动态无线充电。
本文实例方案设计是工作在频率2.4GHz，但不是代表只能工作在该频率下，通过合理的结构设计，改变单元的结构尺寸，如开口方向和开口大小，仍然可以实现很宽频带下的电磁波或声波的能量汇聚及转换，所以以上实施并不代表该发明在某方面受到限制。
Claims (10)
1.一种动态可调频超表面结构无线充电器件，其特征在于：包括能量转换单元(4)以及功能层；功能层以能量转换单元(4)为圆心且沿径向分布，形成径向分布超表面；或者功能层以能量转换单元(4)为轴且沿圆周分布，形成圆周分布超表面；
在径向分布超表面中，功能层包括依次叠层设置的液态金属超表面结构层(1)和接地金属层(3)；在圆周分布超表面中，功能层包括液态金属超表面结构层(1)；液态金属超表面结构层(1)包括介质基板(2)和设置在介质基板(2)上的若干个超表面结构单元(8)；
每个超表面结构单元(8)均包括设置在介质基板(2)上的液态金属收集器(5)、电解质溶液收集器(6)以及环形的超表面结构单元通道(7)，液态金属收集器(5)和电解质溶液收集器(6)均匀分布在超表面结构单元通道(7)的四周且与超表面结构单元通道(7)相连通。
2.根据权利要求1所述的一种动态可调频超表面结构无线充电器件，其特征在于：介质基板(2)的材质为PDMS或Ecoflex塑料。
3.根据权利要求1所述的一种动态可调频超表面结构无线充电器件，其特征在于：液态金属收集器(5)和电解质溶液收集器(6)均为两个，且液态金属收集器(5)和电解质溶液收集器(6)呈中心对称分布。
4.根据权利要求1所述的一种动态可调频超表面结构无线充电器件，其特征在于：液态金属采用镓或镓基液态金属合金。
5.根据权利要求1所述的一种动态可调频超表面结构无线充电器件，其特征在于：径向分布超表面的相位梯度满足以下公式：
<mrow>
<mfrac>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mi>&phi;</mi>
</mrow>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mi>y</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>k</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<msub>
<mi>n</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>sin&theta;</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中θi是波源的入射角，ni是空气中的折射率，k0是波矢。
6.根据权利要求1所述的一种动态可调频超表面结构无线充电器件，其特征在于：圆周分布超表面上每个位置的超表面结构单元(8)的相位为：Φ＝k0(r-rcosθ)；
其中，k0是波矢，r为圆周分布超表面的半径，θ为超表面结构单元(8)平面法线方向与平面波传播方向的夹角。
7.根据权利要求1所述的一种动态可调频超表面结构无线充电器件，其特征在于：液态金属超表面结构层(1)的厚度为1～6mm。
8.如权利要求1所述动态可调频超表面结构无线充电器件在无线充电中的应用，其特征在于：采用电控液态金属的调节方式实现超表面结构调整，通过调整后的超表面结构实现波的汇聚，经过能量转换，完成无线充电。
9.根据权利要求8所述动态可调频超表面结构无线充电器件在无线充电中的应用，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)先通过广义反射定律计算出径向分布超表面的相位梯度或者根据相位补偿原理推导出圆周分布超表面上每个位置的超表面结构单元(8)的相位Φ；
(2)通过在液态金属收集器(5)和电解质溶液收集器(6)处施加电压，控制液态金属进入注满电解质溶液的超表面结构单元通道(7)中，形成开口谐振环结构，通过控制施加电压的方向实现开口谐振环结构开口方向的调整，通过控制施加电压时间的长短实现开口谐振环结构开口角度大小的调整，直至满足步骤(1)计算的相位梯度或者相位，完成超表面结构调整；
(3)波源发出的传播波经过径向分布超表面后转换成表面波集中到能量转换单元(4)上，或者波源发出的传播波经过圆周分布超表面后直接形成透射波汇聚到能量转换单元(4)上，由能量转换单元(4)将表面波或透射波转换成直流电流，完成无线充电。
10.根据权利要求8所述动态可调频超表面结构无线充电器件在无线充电中的应用，其特征在于：步骤(2)中施加电压是分别在液态金属收集器(5)的液态金属以及电解质溶液收集器(6)的电解质溶液中接入电源正极和电源负极，形成回路；在实现开口谐振环结构开口方向的调整过程中，液态金属收集器(5)的液态金属中接电源正极，电解质溶液收集器(6)的电解质溶液中接电源负极，在收回开口谐振环结构中的液态金属时，将电源正极和电源负极反转。
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