CN113889753B - 一种针对线源辐射的全向匹配非均匀能量接收表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对线源辐射的全向匹配非均匀能量接收表面。由多个方形次波长谐振单元排列而成，第一金属铜片四边的每一边均从各自的中点沿径向开设有四个相同的条形缝隙，第一金属铜片上开设有一个过孔，过孔开设于第一金属铜片的其中一条条形缝隙与第一金属铜片中心之间的径向直线上，过孔贯穿于第一介质层，过孔和第一金属铜片电连接，第二金属铜片上在过孔处同轴开设一个通孔，通孔半径大于过孔半径，过孔和第二金属铜片电连接。本发明结构简单、尺寸小、质量轻，可设计不同的形状和大小，视为均匀介质，对各个角度入射波有极好的能量接收效果，使用时无需破坏原材料本身，可广泛应用于无线能量传输、天线、通讯系统以及电磁屏蔽等军事、民用领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种非均匀人工电磁表面，为无线微波能量接收领域，具体涉及一种由非均匀次波长谐振单元规则排列而成的、对特定距离线源的各个角度辐射实现全向匹配能量接收的非均匀表面。
背景技术
微波无线能量传输(Microwave wireless power transmission，MWPT)因其在无线充电和空间太阳能卫星系统等方面的广泛应用前景一直是电气学和微波学中的热门话题。在MWPT系统中，一个关键因素是接收效率，它由用于接收无线能量的接收天线直接决定。传统的接收天线或天线阵列具有一些固有的局限性，例如不可避免的后向散射、不理想的口径效率和无法避免的阻抗失配等，这些因素将导致反射并降低总接收效率。考虑到MWPT系统常要求极高的功率传输效率，因此亟需突破以往的限制，寻求新的微波能量接收方法。
超表面是由单层或多层金属或介质谐振结构组成的次波长厚度的平面超材料，能够在次波长尺度上精确控制电磁传输和散射，可实现如完美吸收、光束整形和相位调制等功能，在成像、天线、通讯系统、电磁对抗与治理以及军事隐身等领域有许多重要的应用。最近，有人提出用这种周期性排列的亚波长谐振器组成的均匀超表面来实现空间匹配的微波能量接收。这种亚波长周期结构显著提高了接收表面的口径效率，同时其对等效波阻抗进行精确设计可以极大消除反向散射，实现更高的接收效率。然而，上述这种均匀能量接收超表面通常仅适用于垂直入射等特定的平面波入射。随着微波能量入射角的增加，阻抗失配快速恶化，对应接收超表面的接收效率也将迅速降低。因此，当辐射能量以非平面波入射时，例如线源入射等，它们作为接收器的性能通常不够理想。在近距离无线能量传输系统中，绝大多数发射源辐射的微波不是平面波，而是趋向于柱面波。因此，如果能实现一种对线源辐射全向匹配接收的接收系统，必将在微波无线能量传输领域产生重要应用。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种针对线源辐射的全向匹配非均匀能量接收表面，可完美接收任意入射角度的电磁波。
本发明采用的技术方案是：
本发明所述非均匀表面主要由单元尺寸小于1/4工作波长的方形次波长谐振单元排列而成，每个次波长谐振单元主要由依次层叠的第一金属铜片、第一介质层和第二金属铜片组成；第一金属铜片四边的每一边均从各自的中点沿径向开设有四个相同的条形缝隙，四个条形缝隙组成两组正交的条形缝隙，每组条形缝隙为两个对称的条形缝隙，第一金属铜片上开设有一个过孔，过孔开设于第一金属铜片的其中一条条形缝隙与第一金属铜片中心之间的径向直线上，第一金属铜片中心点指向过孔中心点的方向为电流方向，过孔贯穿于第一介质层，过孔和第一金属铜片电连接，第二金属铜片上在过孔处同轴开设一个通孔，通孔半径大于过孔半径，过孔和第二金属铜片电连接。
所述的第一金属铜片和第二金属铜片为方形片状，第一金属铜片与第二金属铜片厚度相同，第一金属铜片的边长小于第二金属铜片的边长。
所述的第一介质层为方形块状，第一介质层的厚度大于第二金属铜片的厚度，第一介质层的边长与第二金属铜片的边长相同。
所述的第一介质层中的过孔和通孔的孔壁均敷铜，通孔在第一介质层上围成的环形表面敷铜；第一介质层中的过孔中的敷铜部分朝通孔方向伸出形成管状铜体，管状铜体伸出的长度等于通孔的深度，即等于第二金属铜片的厚度。
所述的第一金属铜片的四个条形缝隙的长度均小于第一金属铜片边长长度的一半。
所述的第一金属铜片的尺寸、过孔与通孔的圆心位置、第一金属铜片的过孔与第二金属铜片的通孔之间的半径比例以及条形缝隙的长度作为单元参数，单元参数的改变，实现阻抗匹配，控制次波长谐振单元对入射波能量的吸收。
所述的一个或多个相同的次波长谐振单元在同一平面上对称布置组成方形的接收器，所有接收器内的次波长谐振单元的第一金属铜片所在的面均位于同一平面内，多个不同的接收器在同一平面上排列成一列构成非均匀表面，不同的接收器是指接收器中次波长谐振单元的至少一个单元参数不同，非均匀表面为对称结构，以非均匀表面的对称中心线为对称轴对称的任意两个接收器为相同的接收器，若中心线位于非均匀表面的中间一个接收器上，则中间一个接收器与其它接收器均不相同，使得非均匀表面在各入射波角度下显著提高入射波能量的吸收效率。
所述的第一介质层的材料为F4B，介电常数为3.5。
本发明的有益效果是：
本发明设计厚度薄、质量轻、结构简单、结构尺寸小，单元尺寸低于工作波长的1/4，可以视为均匀介质，且结构多变，可以针对不同的频率和角度要求设计不同的形状和大小。
本发明的性能优秀，经过实例仿真验证，在工作频率上，随着入射角度从0度增大到80度，各次波长谐振单元在其对应的匹配入射角时透射效率大于99％，且在匹配入射角处的本构参数均满足斜入射无反射条件。本发明的全向匹配非均匀能量接收表面相比于单一均匀表面，各角度吸收效率显著提高，以60度为例，改善比达到40％左右。
本发明实现了在选定的物体上进行不破坏设计，使其实现全向匹配能量接收。只需要在选定的物体表面采用PCB工艺贴上一层厚度薄、结构简单的非均匀表面而无需破坏原材料本身。该技术思路可以应用在其他机械强度较好的材料上，可广泛用于无线能量传输、天线、通讯系统等各种军事领域以及电磁屏蔽、电磁防护等民用领域。
附图说明
图1是非均匀能量接收表面的单元结构的示意图；
图2是针对不同角度优化的单元随入射角变化的接收效率；
图3是针对不同角度优化的单元的反算相对本构参数随频率变化曲线；
图3的(a)是入射波垂直入射时的等效相对本构参数；
图3的(b)是入射波20度入射时的等效相对本构参数；
图3的(c)是入射波40度入射时的等效相对本构参数；
图3的(d)是入射波60度入射时的等效相对本构参数；
图4是全向匹配非均匀能量接收表面的整体结构示意图；
图5是仿真的全向匹配非均匀能量接收表面中具体各单元的接收效率；
图6是全波仿真得到的非均匀表面与均匀表面的电场分布；
图6的(a)是全波仿真得到的非均匀表面的电场分布；
图6的(b)是全波仿真得到的均匀表面的电场分布；
图7是全波仿真得到的非均匀表面与均匀表面的能量接收情况；
图7的(a)是全波仿真得到的非均匀表面与均匀表面的各接收器接收能量；
图7的(b)是全波仿真得到的非均匀表面与均匀表面的接收能量改进比；
图中：1、第一金属铜片，2、第一介质层，3、第二金属铜片，4、通孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，非均匀表面主要由单元尺寸小于1/4工作波长的方形次波长谐振单元排列而成，可视为均匀介质，每个次波长谐振单元主要由依次层叠的第一金属铜片1、第一介质层2和第二金属铜片3组成，第一金属铜片1和第二金属铜片3为方形片状，第一金属铜片1与第二金属铜片3厚度相同，第一金属铜片1的边长小于第二金属铜片3的边长，第一介质层2为方形块状，第一介质层2的厚度大于第二金属铜片3的厚度，第一介质层2的边长与第二金属铜片3的边长相同，第一介质层2的材料为F4B，介电常数为3.5；
第一金属铜片1四边的每一边均从各自的中点沿径向开设有四个相同的条形缝隙，四个条形缝隙组成两组正交的条形缝隙，每组条形缝隙为两个对称的条形缝隙，条形缝隙的长度均小于第一金属铜片1边长长度的一半，第一金属铜片1上开设有一个过孔，过孔开设于第一金属铜片1的其中一条条形缝隙与第一金属铜片1中心之间的径向直线上，第一金属铜片1中心点指向过孔中心点的方向为电流方向，过孔贯穿于第一介质层2，过孔和第一金属铜片1电连接，第二金属铜片3上在过孔处同轴开设一个通孔4，通孔4半径大于过孔半径，过孔和第二金属铜片3电连接，第一介质层2中的过孔和通孔4的孔壁均敷铜，通孔4在第一介质层2上围成的环形表面敷铜；第一介质层2中的过孔中的敷铜部分朝通孔4方向伸出形成管状铜体，管状铜体伸出的长度等于通孔4的深度，即等于第二金属铜片3的厚度。
第一金属铜片1的尺寸、过孔与通孔4的圆心位置、第一金属铜片1的过孔与第二金属铜片3的通孔4之间的半径比例以及条形缝隙的长度作为单元参数，单元参数的改变，实现阻抗匹配，控制次波长谐振单元对入射波能量的吸收。一个或多个相同的次波长谐振单元在同一平面上对称布置组成方形的接收器，所有接收器内的次波长谐振单元的第一金属铜片1所在的面均位于同一平面内，多个不同的接收器在同一平面上排列成一列构成非均匀表面，如图4所示，不同的接收器是指接收器中次波长谐振单元的至少一个单元参数不同，非均匀表面为对称结构，以非均匀表面的对称中心线为对称轴对称的任意两个接收器为相同的接收器，若中心线位于非均匀表面的中间一个接收器上，则中间一个接收器与其它接收器均不相同，使得非均匀表面在各入射波角度下显著提高入射波能量的吸收效率。
本发明的工作原理及实施例过程如下：
当TE极化平面电磁波入射到次波长谐振单元上时，第一金属铜片1、第二金属铜片3、过孔和通孔4共同作用会同时产生电谐振和磁谐振，提供可控的等效本构参数；此外，在次波长谐振单元中同时移动过孔和通孔4的位置可改变输入阻抗，调整第一金属铜片1的过孔与第二金属铜片3的通孔4之间的半径比例可改变输出阻抗；因此，通过调整方形次波长谐振单元的第一金属铜片1的尺寸、条形缝隙的长度及通孔4的圆心位置等参数来完美匹配各入射波的入射角度并进行能量接收，可实现阻抗匹配，并获得所需要的等效介电常数与等效磁导率。
本发明设置次波长谐振单元的第一金属铜片1和第二金属铜片3的厚度t＝0.018mm，第一介质层2的厚度h＝0.762mm，第一介质层2与第二金属铜片3的边长w＝12.5mm，第二金属铜片3的通孔4的半径r2＝0.96mm，第一金属铜片1和第一介质层2的过孔的半径r＝0.2mm，第一金属铜片1的条形缝隙的宽度g＝0.3mm，第一金属片1的宽度设为p，通孔4的圆心与第一金属片1中心点的距离设为L，第一金属铜片1的条形缝隙的长度设为s；
针对不同角度优化的次波长谐振单元随入射角变化的接收效率，如图2所示，工作频率设置为5.8GHz，针对不同入射波的入射角度θ进行优化，得到在0°入射波(p＝11.61mm，L＝3.02mm，s＝2.38mm)、20°入射波(p＝11.69mm，L＝2.91mm，s＝2.26mm)、40°入射波(p＝11.76mm，L＝2.60mm，s＝2.10mm)和60°入射波(p＝11.85mm，L＝2.06mm，s＝1.76mm)下工作的次波长谐振单元的接收效率，次波长谐振单元在60°入射波时可完全吸收入射波能量，但该谐振单元将强烈反射其他角度的入射波，相似的结果在θ取其它值时同样可被观测到，如0°、20°、40°。
针对0°、20°、40°、60°优化的次波长谐振单元经反演得到的等效相对本构参数随频率变化曲线，分别如图3中(a)、(b)、(c)、(d)所示。利用反演算法，得到上述四种入射角度下的等效相对介电常数εx和相对磁导率μy。以0°为例，εx≈μy＝0.9+27.98i，与理论分析结果相符合。而当θ取20°、40°、60°时反演的本构参数也均基本满足ε″x/μ″y＝Cosθ2。
如图4所示，由15个排成一列的方形接收器组成全向匹配非均匀能量接收表面，为便于最终的实验验证，每个方形接收器由四个相同的次波长谐振单元对称排列构成，非均匀表面中以中间一个接收器R1为对称中心的任意两个接收器为相同接收器，包括R1在内一共八种接收器，接收器R1两边的其他七种接收器依次为R2-R8；每种接收器中的次波长谐振单元的p、L和s的尺寸如表1所示，其余尺寸与上述设置相同。以第一金属铜片1所在的面为正面，在非均匀表面正面中心的正前方间距d＝10cm处放置一个线源，此时对应的R1-R8接收器接收的对应入射角度分别为：0°、13.9°、26.3°、36.6°、44.7°、51.0°、56.0°和60.0°。
表1
在CST Microwave Studio软件中进行仿真，上述八种接收器5.8GHz时的接收效率如图5所示，接收效率均大于99.9％。
为进行对比验证，设置由15个针对0°入射优化的相同R1接收器组成的均匀接收表面作为对照组。在相同位置的线源入射时，非均匀表面与均匀表面在全波仿真中得到的电场分布分别如图6的(a)和(b)所示。从结果中可以看出，均匀表面产生了强烈的驻波效应，而非均匀表面未观察到明显的反射。
上述非均匀表面和均匀表面的各个接收器在5.8GHz下的归一化接收能量如图7(a)所示，从结果中可以看到，两个表面的中心的接收器均比两侧的接收器接收到更大的能量；同时，非均匀表面各个接收器所接收到的能量均大于对应的均匀表面的接收器；图7(b)显示了从均匀表面改进到非均匀表面的计算后的每个接收器的改进比，其中改进比随着入射角的减小而减小，与预期一致，所有15个接收器的总改进率约为19.68％，这验证了非均匀表面在提高接收效率方面的有效性。
以上所述，只是本发明在5.8GHz特定频率及特定距离下的较佳实例而已，并非对本发明做任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可以利用上述解释的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种针对线源辐射的全向匹配非均匀能量接收表面，其特征在于：所述非均匀表面主要由单元尺寸小于1/4工作波长的方形次波长谐振单元排列而成，每个次波长谐振单元主要由依次层叠的第一金属铜片(1)、第一介质层(2)和第二金属铜片(3)组成；第一金属铜片(1)四边的每一边均从各自的中点沿径向开设有四个相同的条形缝隙，第一金属铜片(1)上开设有一个过孔，过孔开设于第一金属铜片(1)的其中一条条形缝隙与第一金属铜片(1)中心之间的径向直线上，过孔贯穿于第一介质层(2)，过孔和第一金属铜片(1)电连接，第二金属铜片(3)上在过孔(4)处同轴开设一个通孔(4)，通孔(4)半径大于过孔半径，过孔和第二金属铜片(3)电连接；
所述的第一金属铜片(1)的尺寸、过孔与通孔(4)的圆心位置、第一金属铜片(1)的过孔与第二金属铜片(3)的通孔(4)之间的半径比例以及条形缝隙的长度作为单元参数，单元参数的改变，控制匹配入射角处的等效本构参数满足斜入射无反射条件，进而控制次波长谐振单元对入射波能量的完美匹配吸收；
所述的多个相同的次波长谐振单元在同一平面上对称布置组成方形的接收器，所有接收器内的次波长谐振单元的第一金属铜片(1)所在的面均位于同一平面内，多个不同的接收器在同一平面上排列成一列构成非均匀表面，不同的接收器是指接收器中次波长谐振单元的至少一个单元参数不同，非均匀表面为对称结构，以非均匀表面的对称中心线为对称轴对称的任意两个接收器为相同的接收器，若中心线位于非均匀表面的中间一个接收器上，则中间一个接收器与其它接收器均不相同。
2.根据权利要求1所述的一种针对线源辐射的全向匹配非均匀能量接收表面，其特征在于：所述的第一金属铜片(1)和第二金属铜片(3)为方形片状，第一金属铜片(1)与第二金属铜片(3)厚度相同，第一金属铜片(1)的边长小于第二金属铜片(3)的边长。
3.根据权利要求1所述的一种针对线源辐射的全向匹配非均匀能量接收表面，其特征在于：所述的第一介质层(2)为方形块状，第一介质层(2)的厚度大于第二金属铜片(3)的厚度，第一介质层(2)的边长与第二金属铜片(3)的边长相同。
4.根据权利要求1所述的一种针对线源辐射的全向匹配非均匀能量接收表面，其特征在于：所述的第一介质层(2)中的过孔和通孔(4)的孔壁均敷铜，通孔(4)在第一介质层(2)上围成的环形表面敷铜；第一介质层(2)中的过孔中的敷铜部分朝通孔(4)方向伸出形成管状铜体，管状铜体伸出的长度等于通孔(4)的深度。
5.根据权利要求1所述的一种针对线源辐射的全向匹配非均匀能量接收表面，其特征在于：所述的第一金属铜片(1)的四个条形缝隙的长度均小于第一金属铜片(1)边长长度的一半。
6.根据权利要求1所述的一种针对线源辐射的全向匹配非均匀能量接收表面，其特征在于：所述的第一介质层(2)的材料为F4B，介电常数为3.5。
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