CN112909525B - 无线电能传输系统无衍射微带线天线阵及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种无线电能传输系统无衍射微带线天线阵及其设计方法，便于无线电能传输系统集成，扩大能量传输的有效距离，提高无线电能传输系统效率。所述微带线天线阵，包括贴片阵和相位可控馈电网；贴片阵包括顶层形成阵列的金属矩形贴片，中间层的介质层和底层的金属地板层；相位可控馈电网包括输入微带线，串并连接网，馈线微带线和贴片微带线；串并连接网的输入端连接输入微带线，输出端分别与金属矩形贴片一一对应连接；串并连接网的每个输出端依次经长度不同的馈线微带线和相同的贴片微带线与对应的金属矩形贴片连接；馈线微带线用于通过不同的长度为不同位置的贴片提供设定的相位，使所有金属矩形贴片与预设参考点之间的输出相位差最小。

Description

无线电能传输系统无衍射微带线天线阵及其设计方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术，具体为无线电能传输系统无衍射微带线天线阵及其设计方法。
背景技术
无线电能传输(Wireless Power Transmission，WPT)作为有线电能传输方式的重要补充和延伸，为解决特殊场景下的供电问题提供了新的思路，可以避免用电设备与电网的直接传导式连接，实现了电源与用电设备之间完全的电气隔离，具有便利、灵活、安全、可靠等优点，因此近年来受到世界各国的高度重视。目前，无线电能传输技术已成为在国内外学术界、工业界乃至民间都备受关注的热点技术，全球各国均投入大量的人力和物力资源，竞相争夺和抢占这一科技制高点。
基于微波原理的无线电能传输(Microwave Power Transfer，简称MPT)技术以传输功率大、传输距离远等特点，得到广泛的关注与研究。相比于传统电气设备的有线电能传输方式，功率传输能力、效率和成本等特性是研究无线电能传输系统着重考虑的主要指标，也是当前无线电能传输领域研究的重点。相较于电磁感应式、磁耦合式无线电能传输，其突出优势在于其远远超出前两者的传输距离，可在一些特殊场景下发挥重要作用，如高空无人机和高空作业平台持续供电、无线传感网络充电，以及海岛、峡谷、深山等特殊地理条件下的供电。此外，在紧急自然灾害或特殊抢修状态时，可采用微波输电方式对灾区或断电区域快速恢复供电，并且小型化可移动微波无线输电设备还可用于对大容量临时用户负载供电，因此在能量传输方面具有的战略性、前瞻性意义。
无衍射波束因其理论上能量能无线传播的特性而非常适用于无线电能传输系统。目前比较常见的微波式无线电能传输常基于无衍射超表面来实现，这是由于超表面对电磁波的幅度和相位具有极强的调控性，但是微带线同样可以通过功分器和微带线长度分别调节辐射电磁波的幅度和相位，因此利用微带线天线阵来代替超表面是可行的。此外，超表面的成本往往要高于微带线天线阵，系统集成性不及微带线天线阵，制造工艺的成熟度也不及后者，但目前没有利用微带线天线阵来实现无衍射聚焦进行无线电能传输。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种无线电能传输系统无衍射微带线天线阵及其设计方法，结构合理，设计简单，便于无线电能传输系统集成，扩大能量传输的有效距离，提高无线电能传输系统效率。
本发明是通过以下技术方案来实现：
无线电能传输系统无衍射微带线天线阵，包括贴片阵和相位可控馈电网；
所述的贴片阵包括顶层形成阵列的金属矩形贴片，中间层的介质层和底层的金属地板层；
所述的相位可控馈电网包括输入微带线，串并连接网，馈线微带线和贴片微带线；串并连接网的输入端连接输入微带线，输出端分别与金属矩形贴片一一对应连接；所述串并连接网的每个输出端依次经长度不同的馈线微带线和相同的贴片微带线与对应的金属矩形贴片连接；
所述的馈线微带线用于通过不同的长度为不同位置的贴片提供设定的相位，使所有金属矩形贴片与预设参考点之间的输出相位差最小。
优选的，所述的金属矩形贴片上设置有沿贴片微带线边缘开设的匹配缝隙。
优选的，所述的相位可控馈电网分别在X轴和Y轴方向上呈轴对称布置。
优选的，所述的馈线微带线呈矩形波折线设置。
无线电能传输系统无衍射微带线天线阵设计方法，包括：
根据预设的金属矩形贴片辐射的回波损耗，确定金属矩形贴片的尺寸参数；
将确定尺寸参数的金属矩形贴片依次按阵列排布形成贴片阵；
根据无衍射理论，得到每个不同位置金属矩形贴片的设定相位，并添加设定相位对应的激励；
根据设定相位和对应激励，验证无衍射微带线天线阵的聚焦距离及聚焦效果，得到贴片阵的等效锥透镜的底角以及金属矩形贴片的阵列排布；
根据每个不同位置金属矩形贴片的设定相位，得到相位可控馈电网每个输出端口需要输出的相位分布；
通过预设的第一优化模型得到每个金属矩形贴片对应的馈线微带线长度；所述的第一优化模型，以每个输出端口的输出相位与预设参考点之间的相位差最小为目标；
通过预设的第二优化模型得到相位可控馈电网中输入微带线的特征阻抗和对应长度；所述的第二优化模型，以输入端口连接的SMA馈电到每个输出端口的相位总体误差最小为目标。
优选的，所述根据预设的金属矩形贴片辐射的回波损耗，确定金属矩形贴片的尺寸参数时，包括，
由如下优化模型得到回波损耗和尺寸参数之间的关系，
|S11|(lp,wp,ls,ws)＜-10dB；
基于有限元方法，求解不同金属矩形贴片长lp、金属矩形贴片宽wp、匹配缝隙长ls和匹配缝隙宽ws对应的回波损耗S11，直至取到满足需求的S11对应的包括lp、wp、ls和ws的尺寸参数。
优选的，所述根据无衍射理论，得到每个不同位置金属矩形贴片的设定相位时，采用如下公式：
根据无衍射理论，得到每个不同位置(xi,yj)金属矩形贴片特定的相位φ(xi,yj)：
Figure BDA0002910253360000041
其中，φ(xi,yj)为金属矩形贴片的设定相位，(xi,yj)为金属矩形贴片的位置，k0为波数，β为该无衍射微带线天线阵的等效锥透镜的底角。
优选的，所述得到相位可控馈电网每个输出端口需要输出的相位分布之后；所述通过预设的第一优化模型得到金属矩形贴片对应的馈线微带线长度之前；还包括，
根据相位可控馈电网在X轴和Y轴方向上的轴对称性，将相位可控馈电网按照象限划分为四个相同的部分馈电网，以四分之一相位可控馈电网的金属矩形贴片为计算对象进行后续设计；
所述通过预设的第二优化模型得到相位可控馈电网中输入微带线的特征阻抗和对应长度之后，还包括，
将所述四分之一相位可控馈电网的设计通过轴对称布置到其他三个象限。
优选的，所述的第一优化模型如下：
minΔφ”k(S2,S3,…,Sk)；
其中，Δφ”k为输出端口的输出相位与预设参考点的实际相位误差，k为输出端口数量，Sk为馈线微带线的长度。
优选的，所述的第二优化模型如下：
minΔφ”(xi,yj)(lRI)；
其中，Δφ”(xi,yj)为输入微带线连接的SMA馈电到输出端口的实际相位误差，lRI为特征阻抗为RI的输入微带线的长度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明所述的天线阵，利用馈线微线的不同长度，控制金属矩形贴片的输出相位，提高天线阵的传输相位准确性，不同位置的金属矩形贴片提供设定的相位，从而在金属贴片和金属地板间激励起射频电磁场；辐射结构和馈电结构间通过阻抗匹配，保证能量可有效地传输。
本发明所述的涉及方法，通过贴片阵和馈电网的分块设计，提高每个部分的设计精确度，从而有效减小整体无衍射微带线天线阵的设计周期。极大降低馈电网的设计复杂度，避免贴片阵和馈电网之间的耦合效应对微带线天线阵设计的影响。
附图说明
图1为本发明实施例所述的无衍射微带线天线阵结构示意图；
图2为本发明实施例的无衍射微带线天线阵的总体设计流程图；
图3为本发明实施例中的贴片阵参数的优化设计流程图；
图4为本发明实施例中的相位可控馈电网参数的优化设计流程图；
图5a为本发明实施例中的贴片阵的单元结构放大示意图；
图5b为本发明实施例中的贴片阵的金属矩形贴片的结构示意图；
图6为本发明实施例中的贴片阵的金属矩形贴片的回波损耗S11图；
图7为本发明实施例中的贴片阵的聚焦效果图；
图8为本发明实施例中的相位可控馈电网的结构示意图；
图9为本发明实施例中的相位可控馈电网的相位输出图；
图10为本发明实施例中的相位可控馈电网的回波损耗S11图；
图11a为本发明实施例中的无衍射微带线天线阵的实物正面示意图；
图11b为本发明实施例中的无衍射微带线天线阵的实物背面示意图；
图12为本发明实施例中的无衍射微带线天线阵的聚焦效果图；
图13为本发明实施例中的无衍射微带线天线阵的回波损耗S11图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提出的一种无线电能传输系统无衍射微带线天线阵与设计方法，包括贴片阵及馈电网的结构与参数设计。所述结构包括：贴片阵由上层形成阵列的金属矩形贴片、中间介质层及下层金属地板三层结构构成；馈电网由不同阻值的金属微带线经串并转换、综合连接构成。所述参数设计包括：贴片阵参数设计和相位可控馈电网的参数优化设计方法。能够提高传输相位准确性，从而提升电磁辐射性能，为无衍射微带线天线阵的设计提供指导，缩短分析和加工周期，提供更为精确的优化参数。
具体的，本发明一种无线电能传输系统无衍射微带线天线阵，其结构包括贴片阵和相位可控馈电网；
所述贴片阵为三层结构，最上层为形成阵列的金属矩形贴片，中间为F4B介质层，下层为金属地板层；相位可控馈电网由不同阻值的微带线经过串并转换连接构成，具体的包括输入微带线，串并连接网，馈线微带线和贴片微带线；串并连接网的输入端连接输入微带线，输出端分别与金属矩形贴片一一对应连接；所述串并连接网的每个输出端依次经长度不同的馈线微带线和相同的贴片微带线与对应的金属矩形贴片连接；
所述贴片阵的金属矩形贴片作为辐射结构，将电磁波的能量辐射出去，相位可控馈电网作为馈电结构，其为不同位置的金属矩形贴片提供特定的相位，从而在金属贴片和金属地板间激励起射频电磁场；辐射结构和馈电结构间通过阻抗匹配，保证能量可有效地传输。
所述相位可控馈电网中进行相位控制的馈线微带线为相位可控馈电网与贴片阵相连处的微带线，不同位置的金属矩形贴片所对应的该馈线微带线长度不同。
本发明无线电能传输系统无衍射微带线天线阵的设计方法，包括所述贴片阵的参数的设计和相位可控馈电网参数的优化设计；
所述贴片阵的参数的设计方法为：
步骤一：初步确定贴片阵的中心频点f，根据中心频点确定贴片阵的金属矩形贴片周期p，初步设定介质板厚度h、金属贴片层厚度t及金属地板厚度t；
步骤二：结合传输线模型理论，初步确定矩形贴片的长lp和宽wp；
步骤三：与金属矩形贴片相连的贴片微带线阻值为R0，长度为lm，在贴片上添加匹配缝隙，缝隙的长为ls、宽为ws。以金属矩形贴片辐射的回波损耗S11为目标，以金属矩形贴片的长lp和宽wp、匹配缝隙的长ls和宽ws的取值为优化变量，建立优化模型：
|S11|(lp,wp,ls,ws)＜-10dB
基于有限元方法求解不同lp、wp、ls和ws对应的S11，直至取到满足需求的S11对应的lp、wp、ls和ws。
步骤四：输出满足无线电能传输系统性能的贴片参数：矩形贴片长lp、矩形贴片宽wp、缝隙长ls、缝隙宽ws；
步骤五：将金属矩形贴片保持一致，按位置分布，生成N*M贴片阵；
步骤六：根据无衍射理论，得到每个不同位置(xi,yj)金属矩形贴片特定的相位φ(xi,yj)：
Figure BDA0002910253360000071
其中，k0为波数，β为该无衍射微带线天线阵的等效锥透镜的底角。根据该相位φ(xi,yj)给对应位置(xi,yj)金属矩形贴片添加相对应的激励。通过仿真验证聚焦距离Zmax及聚焦效果来最终确定贴片阵的参数的取值；所述的聚焦效果为该聚焦距离Zmax下的电场分布；所述贴片阵的参数包括等效锥透镜的底角和贴片阵的纵横金属矩形贴片的数量，即N*M。
所述相位可控馈电网的优化设计方法为：
步骤一：和贴片阵参数设计步骤六中同样，结合无衍射理论，获得馈电网每个端口所需输出的相位分布φ(xi,yj)；
步骤二：基于馈电网的基本轴对称性，先考虑左上角的四分之一部分馈电网，共计16个金属矩形贴片，以最左上角的金属矩形贴片的馈线微带线Z1为参考点，其长度为S1＝0mm，其相对相位为0，得到Z2～Z16对应的馈线微带线与Z1的理论相位差Δφk(k＝2，3，…，16)。
步骤三：根据传输线理论，根据理论相位差Δφk可得馈线微带线Zk的长度Sk为
Figure BDA0002910253360000081
其中，λR0为特征阻抗为R0的贴片微带线在F4B介质中的相对波长。
步骤三：应用Sk，得到四分之一部分各端口的输出相位φ'(xi,yj)与左上角馈线微带线Z1的输出相位φ'(x1,y1)的实际相位差Δφ'k。比较理论相位差Δφk和实际相位差Δφ'k，得到实际相位误差Δφ”k。以实际相位误差Δφ”k总体最小为目标，以Sk的取值为优化变量，k为输出端口数量，为不小于2的整数，建立优化模型：
minΔφ”k(S2,S3,…,Sk)
基于有限元方法求解不同组Sk下的实际相位误差Δφ”k，实际相位误差Δφ'k较大时，可通过
Figure BDA0002910253360000082
循环修正。比较并选择在实际相位误差Δφ”k最小且远小于相邻贴片相位差值最小值Δφ0时的Sk，作为最终的四分之一馈电网的设计参数，继续下一步骤。
步骤四：将四分之一馈电网的设计通过轴对称布置到其他三个象限，相应参数完全一致。
步骤五：通过输入微带线中心的特征阻抗为R1的微带线来连接SMA馈电，通过控制特征阻抗为R1的输入微带线的长度lRI可控制SMA传递到端口的实际相位φ'(xi,yj)，得到实际相位φ'(xi,yj)与根据无衍射理论计算得到的理论相位φ(xi,yj)的实际相位误差Δφ”(xi,yj)。以实际相位误差Δφ”(xi,yj)总体最小为目标，以特征阻抗为R1的输入微带线的长度lRI的取值为优化变量，通过
Figure BDA0002910253360000091
来调节，建立优化模型：
Figure BDA0002910253360000092
基于步骤二中各端口的相位差Δφk已经确定，调节并选择合适的特征阻抗为RI的输入微带线的长度lRI，使馈电网输出到左上角的端口的实际相位φ'(x1,y1)与根据无衍射理论计算得到的理论相位φ(x1,y1)基本一致，则其他端口输出的实际相位与根据无衍射理论计算得到的理论相位φ(xi,yj)基本一致，可将该值作为最优的特征阻抗为R1的输入微带线的长度lRI。
步骤五：输出馈电网的最优参数配置。
下面以实际的结构和设计过程为例，对本发明作更进一步的说明。
本案例以中心频率为5.8GHz时的无线电能传输为背景，无衍射波束聚焦距离大于1m。如图1所示，其包括贴片阵1和相位可控馈电网2；
如图1和图5a所示，所述的贴片阵1包括顶层形成阵列的金属矩形贴片101，中间层的介质层102和底层的金属地板层103；
如图5b和图8所示，所述的相位可控馈电网2包括输入微带线201，串并连接网202，馈线微带线203和贴片微带线204；串并连接网202的输入端连接输入微带线201，输出端分别与金属矩形贴片101一一对应连接；所述串并连接网202的每个输出端依次经长度不同的馈线微带线203和相同的贴片微带线204与对应的金属矩形贴片101连接；
所述的馈线微带线203用于通过不同的长度为不同位置的金属矩形贴片101提供设定的相位，使所有金属矩形贴片101与预设参考点之间的输出相位差最小。
为无衍射微带线天线阵模型，图2为实施例中的本实施例中的总体设计，如图2所示，包括以下设计步骤：
第一，贴片阵参数的设计，如图3所示：
步骤一：初步确定中心频点f＝5.8GHz，根据频点确定贴片阵的金属矩形贴片周期p＝52mm，初步设定介质板厚度h＝2mm、金属贴片层厚度t＝0.036mm及金属地板厚度t＝0.036mm；
步骤二：结合传输线模型理论，初步确定金属矩形贴片的长lp＝20.45mm和宽wp＝16.10mm；
步骤三：与金属矩形贴片相连的贴片微带线阻值为R0＝150欧姆，长度为lm＝6mm，在金属矩形贴片上添加匹配缝隙，匹配缝隙的长为ls、宽为ws。以金属矩形贴片辐射的回波损耗S11为目标，以金属矩形贴片的长lp和宽wp、缝隙的长ls和宽ws的取值为优化变量，建立优化模型：
|S11|(lp,wp,ls,ws)＜-10dB
基于有限元方法求解不同lp、wp、ls和ws对应的S11，直至取到满足需求的S11对应的lp、wp、ls和ws。
步骤四：输出满足系统性能的金属矩形贴片参数：当中心频点f＝5.8GHz处的回波损耗|S11|＝-37dB，远小于-10dB，如图6所示，矩形贴片长lp＝15.66mm、矩形贴片宽wp＝20mm、缝隙长ls＝5mm、缝隙宽ws＝0.2mm、与矩形贴片相连的微带线阻值为R0＝150欧姆及长度lm＝6mm；
步骤五：将金属矩形贴片保持一致，按位置分布，生成8*8贴片阵；
步骤六：根据无衍射理论，得到每个不同位置(xi,yj)金属矩形贴片特定的相位φ(xi,yj)：
Figure BDA0002910253360000111
其中，k0为波数，β为该无衍射微带线天线阵的等效锥透镜的底角，设定β＝30°。根据该相位φ(xi,yj)给对应位置(xi,yj)金属矩形贴片添加相对应的激励。如图7所示，通过仿真，聚焦距离Zmax＝1.18m>1m，聚焦效果明显，因此输出lp＝15.66mm、wp＝20mm、ls＝5mm、ws＝0.2mm、R0＝150欧姆、lm＝6mm、β＝30°作为贴片阵的参数。
第二、相位可控馈电网参数的设计，如图4所示：
步骤一：和贴片阵参数设计步骤六中同样，结合无衍射理论，获得馈电网每个端口所需输出的相位分布φ(xi,yj)；
步骤二：基于馈电网的基本轴对称性，先考虑左上角的四分之一部分馈电网，馈电网中所涉及的不同特征阻抗的微带线的相关参数可见表1，以最左上角的金属矩形贴片的馈线微带线Z1为参考点，其长度为S1＝0mm，其相对相位为φ1＝0，得到Z2～Z16对应的馈线微带线与Z1的理论相位差Δφk(k＝2，3，…，16)。
步骤三：根据传输线理论，根据理论相位差Δφk可得馈线微带线Zk的长度Sk为
Figure BDA0002910253360000112
其中，λ150为特征阻抗为R0＝150欧姆的贴片微带线在F4B介质中的相对波长；不同特征阻抗对应的相对波长和贴片微带线线宽如表1所示。
表1不同特征阻抗微带线的相关参数
特征阻抗(欧姆) 线宽(mm) 波长/4(mm)
50 5.84 9.25
86.6 2.28 9.56
100 1.67 9.64
106 1.46 9.68
150 0.54 9.87
步骤三：应用Sk，得到四分之一部分各端口的输出相位φ'(xi,yj)与左上角馈线微带线Z1的输出相位φ'(x1,y1)的实际相位差Δφ'k。比较理论相位差Δφk和实际相位差Δφ'k，得到实际相位误差Δφ”k。以实际相位误差Δφ”k总体最小为目标，以Sk(k＝2，3，…，16)的取值为优化变量，建立优化模型：
minΔφ”k(S2,S3,…,S16)
基于有限元方法求解不同组Sk(k＝2，3，…，16)下的实际相位误差Δφ”k，实际相位误差Δφ'k较大时，可通过
Figure BDA0002910253360000121
循环修正。在实际相位误差Δφ”k的范围为[0°，1.89°]，平均误差仅为-1.28°时，远小于相邻贴片相位差值最小值Δφ0＝17°，Sk的取值可见表2，作为最终的四分之一馈电网的设计参数，继续下一步骤。
表2相位控制馈线微带线Zk的长度Sk
S<sub>k</sub> 长度(mm) S<sub>k</sub> 长度(mm)
S<sub>1</sub> 0 S<sub>9</sub> 4.80
S<sub>2</sub> 3.05 S<sub>10</sub> 7.79
S<sub>3</sub> 4.91 S<sub>11</sub> 10.92
S<sub>4</sub> 5.92 S<sub>12</sub> 12.74
S<sub>5</sub> 3.37 S<sub>13</sub> 5.17
S<sub>6</sub> 6.04 S<sub>14</sub> 8.54
S<sub>7</sub> 8.26 S<sub>15</sub> 11.76
S<sub>8</sub> 9.60 S<sub>16</sub> 14.35
步骤四：将四分之一馈电网的设计通过轴对称布置到其他三个象限，相应参数完全一致。
步骤五：通过输入微带线中心的R1＝50欧姆微带线来连接SMA馈电，通过控制特征阻抗为R1＝50欧姆输入微带线的长度l50可控制SMA传递到端口的实际相位φ'(xi,yj)，得到实际相位φ'(xi,yj)与根据无衍射理论计算得到的理论相位φ(xi,yj)的实际相位误差Δφ”(xi,yj)。以实际相位误差Δφ”(xi,yj)总体最小为目标，以特征阻抗为R1＝50欧姆输入微带线的长度l50的取值为优化变量，通过
Figure BDA0002910253360000131
来调节，建立优化模型：
Figure BDA0002910253360000132
基于步骤二中各端口的相位差Δφk已经确定，调节并选择合适的R1＝50欧姆微带线的长度l50，使馈电网输出到左上角的端口的实际相位φ'(x1,y1)与根据无衍射理论计算得到的理论相位φ(x1,y1)基本一致，则其他端口输出的实际相位与根据无衍射理论计算得到的理论相位φ(xi,yj)基本一致，如图9所示。最终实际相位误差Δφ”(xi,yj)范围为[-6.13°，5.54°]，平均误差仅为-1.28°，也远小于相邻贴片相位差值最小值Δφ0＝17°。如图10所示，最终馈电网在中心频点f＝5.8GHz处的回波损耗|S11|＝-15.48dB，远小于-10dB。此时R1＝50欧姆微带线的长度的最优解为l50＝34.75mm。
步骤六：输出表1、表2、R1＝50欧姆、l50＝34.75mm作为馈电网的最优参数配置。
第三、无衍射微带线天线阵参数的设计：
基于第一中贴片阵设计的步骤六和第二中相位可调馈电网设计的步骤六所输出的最终参数配置，将对应的贴片阵和相位可调馈电网结合起来，获得最终无衍射微带线天线阵，如图11a、11b所示。聚焦效果与第一中贴片阵设计的步骤6的仿真结果图7基本一致，聚焦距离Zmax≈1.18m>1m，聚焦效果仍非常明显，如图12所示；回波损耗性能也与第二中相位可调馈电网设计的步骤五中得到的图10基本一致，经实物测试，无衍射微带线天线阵在中心频点f＝5.8GHz处的回波损耗|S11|＝-17.02dB，远小于-10dB，实际频带范围为[5.54GHz,6.34GHz]，带宽较宽，克服传统微带线天线阵带宽窄的缺点，如图13所示。
本发明中的无衍射微带线天线阵可以扩大波束聚焦范围，使无线电能传输距离可以大幅提升，参数设计方法可以提高无衍射微带线天线阵的聚焦性能从而提升系统效率，并快速获得贴片阵及馈电网的设计参数。优化设计方法更加具有系统性、全面型和指导性；同时该发明给出了完整而全面的相关参数设计思路，缩短设计周期，给工程应用带来便利。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.无线电能传输系统无衍射微带线天线阵，其特征在于，包括贴片阵和相位可控馈电网；
所述的贴片阵包括顶层形成阵列的金属矩形贴片，中间层的介质层和底层的金属地板层；
所述的相位可控馈电网包括输入微带线，串并连接网，馈线微带线和贴片微带线；串并连接网的输入端连接输入微带线，输出端分别与金属矩形贴片一一对应连接；所述串并连接网的每个输出端依次经长度不同的馈线微带线和相同的贴片微带线与对应的金属矩形贴片连接；
所述的馈线微带线用于通过不同的长度为不同位置的贴片提供设定相位，使所有金属矩形贴片与预设参考点之间的输出相位误差最小；
根据无衍射理论，得到每个不同位置(xi,yj)金属矩形贴片设定相位φ(xi,yj)：
Figure FDA0003818010030000011
其中，φ(xi,yj)为金属矩形贴片的设定相位，(xi,yj)为金属矩形贴片的位置，k0为波数，β为该无衍射微带线天线阵的等效锥透镜的底角；
通过预设的第一优化模型得到每个金属矩形贴片对应的馈线微带线长度；所述的第一优化模型如下：
minΔφ″k(S2,S3,…,Sk)；
其中，Δφ″k为输出端口的输出相位与预设参考点的实际相位误差，k为输出端口数量，Sk为馈线微带线的长度；
通过预设的第二优化模型得到相位可控馈电网中输入微带线的特征阻抗和对应长度；所述的第二优化模型如下：
Figure FDA0003818010030000012
其中，Δφ″(xi,yj)为输入微带线连接的SMA馈电到输出端口的实际相位误差，(xi,yj)为金属矩形贴片的位置，
Figure FDA0003818010030000022
为特征阻抗为RI的输入微带线的长度。
2.根据权利要求1所述的无线电能传输系统无衍射微带线天线阵，其特征在于，所述的金属矩形贴片上设置有沿贴片微带线边缘开设的匹配缝隙。
3.根据权利要求1所述的无线电能传输系统无衍射微带线天线阵，其特征在于，所述的相位可控馈电网分别在X轴和Y轴方向上呈轴对称布置。
4.根据权利要求1所述的无线电能传输系统无衍射微带线天线阵，其特征在于，所述的馈线微带线呈矩形波折线设置。
5.无线电能传输系统无衍射微带线天线阵设计方法，其特征在于，包括：
根据预设的金属矩形贴片辐射的回波损耗，确定金属矩形贴片的尺寸参数；
将确定尺寸参数的金属矩形贴片依次按阵列排布形成贴片阵；
根据无衍射理论，得到每个不同位置(xi,yj)金属矩形贴片的设定相位φ(xi,yj)，并添加设定相位对应的激励；所述的设定相位如下，
Figure FDA0003818010030000021
其中，φ(xi,yj)为金属矩形贴片的设定相位，(xi,yj)为金属矩形贴片的位置，k0为波数，β为该无衍射微带线天线阵的等效锥透镜的底角；
根据设定相位和对应激励，验证无衍射微带线天线阵的聚焦距离及聚焦效果，得到贴片阵的等效锥透镜的底角以及金属矩形贴片的阵列排布；
根据每个不同位置金属矩形贴片的设定相位，得到相位可控馈电网每个输出端口需要输出的相位分布；
通过预设的第一优化模型得到每个金属矩形贴片对应的馈线微带线长度；所述的第一优化模型，以每个输出端口的输出相位与预设参考点之间的相位误差最小为目标；
所述的第一优化模型如下：
minΔφ″k(S2,S3,…,Sk)；
其中，Δφ″k为输出端口的输出相位与预设参考点的实际相位误差，k为输出端口数量，Sk为馈线微带线的长度；
通过预设的第二优化模型得到相位可控馈电网中输入微带线的特征阻抗和对应长度；所述的第二优化模型，以输入端口连接的SMA馈电到每个输出端口的相位总体误差最小为目标；
所述的第二优化模型如下：
Figure FDA0003818010030000031
其中，Δφ″(xi,yj)为输入微带线连接的SMA馈电到输出端口的实际相位误差，(xi,yj)为金属矩形贴片的位置，
Figure FDA0003818010030000032
为特征阻抗为RI的输入微带线的长度。
6.根据权利要求5所述的无线电能传输系统无衍射微带线天线阵设计方法，其特征在于，所述根据预设的金属矩形贴片辐射的回波损耗，确定金属矩形贴片的尺寸参数时，包括，
由如下优化模型得到回波损耗和尺寸参数之间的关系，
|S11|(lp,wp,ls,ws)＜-10dB；
基于有限元方法，求解不同金属矩形贴片长lp、金属矩形贴片宽wp、匹配缝隙长ls和匹配缝隙宽ws对应的回波损耗S11，直至取到满足需求的S11对应的包括lp、wp、ls和ws的尺寸参数。
7.根据权利要求5所述的无线电能传输系统无衍射微带线天线阵设计方法，其特征在于，所述得到相位可控馈电网每个输出端口需要输出的相位分布之后；所述通过预设的第一优化模型得到金属矩形贴片对应的馈线微带线长度之前；还包括，
根据相位可控馈电网在X轴和Y轴方向上的轴对称性，将相位可控馈电网按照象限划分为四个相同的部分馈电网，以四分之一相位可控馈电网的金属矩形贴片为计算对象进行后续设计；
所述通过预设的第二优化模型得到相位可控馈电网中输入微带线的特征阻抗和对应长度之后，还包括，
将所述四分之一相位可控馈电网的设计通过轴对称布置到其他三个象限。
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