CN115632246A - 基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置，属于无线电磁能量传输领域。装置包括：变形半鱼眼透镜组由两个分离的第一变形半鱼眼透镜与第二变形半鱼眼透镜组成；射频发射端与变形半鱼眼透镜组的第一变形半鱼眼透镜的末端对应设置；射频接收端与变形半鱼眼透镜组的第二变形半鱼眼透镜的末端对应设置；第一变形半鱼眼透镜与第二变形半鱼眼透镜的前端相互间隔对应设置；射频发射端能通过变形半鱼眼透镜组的两个变形半鱼眼透镜与射频接收端无线耦合传输电磁能量。该系统工作在GHz频段，通过组成变形半鱼眼透镜组的各变形半鱼眼透镜在形状或折射率分布上的改变，能在传输过程中控制电磁波扩散前提下，提升无线电磁能量传输效率。

Description

基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置

技术领域

本发明涉及无线电磁能量传输领域。具体而言，涉及一种基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置。

背景技术

依据传输原理的不同，无线电磁能量传输装置可分为非辐射式和辐射式。

非辐射式无线电磁能量传输方式通过磁场或电场的变化来传能，相应地，构建线圈或电容极板的变形与组合方式来构建系统。该方式的优点在于，结构的制作较为简单，成本低廉，且在近距离下具有较高的能量传输效率，所以被广泛应用于便携式电子产品的无线充电中。该方式的缺点有三。其一，由于上述的场的行为本质上是源的行为，因此该方式的传输效率受制于发射与接收装置的尺寸。其二，较远距离下，场所携带的能量随距离增大快速衰减(r^-4)。其三，系统的带宽往往很窄，加工误差会使得结构的谐振点偏离，从而降低能量传输效率。

2007年，AndréKurs等人在Science中发表了文章“通过强耦合磁共振实现无线能量传输”(参考文献为：Kurs,André,et al."Wireless power transfer via stronglycoupled magnetic resonances."science 317.5834(2007):83-86.)。他们通过细微地调节每个线圈的螺距，将四个线圈严格调节到相同的谐振频率，从而实现了高效的无线电磁能量传输。然而，这种尺寸上的严格调节是在实验室里反复测量完成的，一旦传输距离变化，整个调节过程也将重新进行。受制于装置极窄的带宽，装置本身的鲁棒性很低，仅能够在某个精确的频率和尺寸参数下达到理想的工作状态。

辐射式无线电磁能量传输方式通过电磁波传能。由于电磁波本身是脱离于源的存在，因此该方式的传输效率不再受制于发射与接收装置的尺寸。此外，理论上该方式传输效率随距离增大的衰减程度(r^-2)小于非辐射式无线电磁能量传输方式。在拥有以上两点优势的情况下，该方式之所以未被得到广泛应用，是出于以下两点原因。其一，虽然该方式传输效率的衰减程度低于非辐射式无线电磁能量传输方式，但出于电磁波在传播过程中的扩散，其衰减仍然较为严重。其二，系统中的换能器件效率很低。因此，在近距离下，受制于换能器件带来的效率损失，最终能量传输效率不及非辐射式无线电磁能量传输方式；而随着距离的增大，其优势才开始显现，但是仍会面临传输过程中电磁波的扩散问题。此外，对于频率而言，这两点原因是相互牵制的。增大频率可以减小电磁波在传播过程中的扩散，但也使得换能器件的效率更低，反之亦然。

针对传输过程中电磁波的扩散问题，国内外的研究者们考虑借鉴麦克斯韦鱼眼透镜，在发射端放置半鱼眼透镜，希望能够实现出射面电磁波的平行出射。

然而，其中绝大部分工作都只关注到如何严格地构建半鱼眼透镜，并单纯地将其当作发射天线的一部分进行了实验测定。比如Hui Feng Ma等人在IEEE的Transactions onAntennas&Propagation中发表的论文“三维梯度折射率材料及其在微波透镜天线中的应用”(Hui Feng Ma,Ben Geng Cai,Teng Xiang Zhang,Yan Yang,Wei Xiang Jiang,andTie Jun Cui.“Three-Dimensional Gradient-Index Materials andTheir Applicationsin Microwave Lens Antennas”IEEE Trans.Antennas Propag.vol.61,no.5,pp.2561-2569,May 2013.)。他们并未以此构建无线电磁能量传输装置，更未在无线电磁能量传输装置的层面上优化透镜形状和折射率分布，以实现最大传输效率。

有少数学者讨论了半鱼眼透镜的变换形式，比如Junhyun Kim等人在AppliedPhysics Letters中发表的论文“通过智能变换光学实现低介电常数介质材料的元透镜设计”(Junhyun Kim,Dongheok Shin,Seungjae Choi,Do-SikYoo,llsungSeo,and KyoungsikKim.“Meta-lens design with low permittivity dielectric materials throughsmart transformation optics”Appl.Phys.Lett.107,101906(2015).)，但其变换只是基于经验进行，单纯基于点源仿真，在面对实际的无线电磁能量传输装置时不再适用。

在更高的频段上，Daniel Headland等人在Optics Express中发表了文章“用于太赫兹光学集成的光子晶体波导半麦克斯韦鱼眼透镜”(Daniel Headland,MasayukiFujita,and TadaoNagatsuma.“Half-Maxwell fisheye lens with photonic crystalwaveguide for the integration of terahertz optics”Optics Express.vol.28,no.2/20 January 2020.)，基于介质孔耦合结构，在THz频段制作了薄片半鱼眼透镜，并将其对称地应用于发射端和接收端。但他们制作的半鱼眼透镜是二维薄片，只在二维平面具有汇聚效果，且研究频段为THz频段，收发端需要严格对齐。

上述文献表明，针对辐射式无线电磁能量传输过程中因电磁波扩散带来传输效率降低的问题，目前的研究止步于在THz频段添加标准的二维半麦克斯韦鱼眼透镜。由于标准半麦克斯韦鱼眼透镜的中心介电常数较大，对透镜加工工艺与材料选择提出了极高的要求。且THz频段本身频率较高，通过牺牲换能器件带来的效率降低，侧面回避了传输过程中因电磁波扩散带来传输效率降低的问题；另外现有的半鱼眼透镜加工难度较大，加工成本较高。

目前尚没有在GHz频段，能利用半鱼眼透镜控制传输过程中电磁波扩散的前提下，实现高效的无线电磁能量传输的解决方案。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供了一种基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置，在控制传输过程中电磁波扩散的前提下，能在GHz频段实现高效的无线电磁能量传输，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置，包括：

射频发射端、变形半鱼眼透镜组和射频接收端；其中，

所述变形半鱼眼透镜组由两个分离的第一变形半鱼眼透镜与第二变形半鱼眼透镜组成；

所述射频发射端与所述变形半鱼眼透镜组的第一变形半鱼眼透镜的末端对应设置；

所述射频接收端与所述变形半鱼眼透镜组的第二变形半鱼眼透镜的末端对应设置；

所述第一变形半鱼眼透镜与第二变形半鱼眼透镜的前端相互间隔对应设置；

所述射频发射端能通过所述变形半鱼眼透镜组的两个变形半鱼眼透镜与所述射频接收端无线耦合传输电磁能量。

与现有技术相比，本发明所提供的基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置，其有益效果包括：

由于采用了由两个分离的变形半鱼眼透镜组成的变形半鱼眼透镜组，利用变形半鱼眼透镜在形状和折射率分布上的改变，相较标准半鱼眼透镜而言大大提高了能量传输效率。同时，该设计通过形状的调整，大大降低了半鱼眼透镜的折射率，从而有效降低了其加工难度和加工成本。最终在射频发射端与射频接收端在传输过程中，避免电磁波扩散的前提下，在GHz频段实现高效的无线电磁能量传输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置的整体结构示意图。

图2为本发明实施例提供的基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置的整体模型框图。

图3为本发明实施例提供的基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置中的射频发射端和射频接收端的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置中的射频发射端和射频接收端的结构尺寸图。

图5为本发明实施例提供的无线电磁能量传输装置中的变形半鱼眼透镜组的变形半鱼眼透镜的结构示意图。

图6为本发明实施例提供的基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置中的变形半鱼眼透镜的结构尺寸图。

图7为本发明实施例提供的基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置的HFSS仿真能量传输效率随距离变化的折线图。

图8为本发明实施例去除变形半鱼眼透镜组后的HFSS仿真能量传输效率随距离变化的折线图。

图9为本发明实施例提供的基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置在中央横截面上电场强度模值最大值随距离变化的折线图。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：

术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。

术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。

术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。

除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。

术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。

下面对本发明所提供的能保护隐私的双声道人工耳蜗体外机进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

如图1、图2所示，本发明实施例提供一种基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置，包括：

射频发射端、变形半鱼眼透镜组和射频接收端；其中，

所述变形半鱼眼透镜组由两个分离的第一变形半鱼眼透镜与第二变形半鱼眼透镜组成，第一变形半鱼眼透镜与第二变形半鱼眼透镜均是两面凸的几何构型；

所述射频发射端与所述变形半鱼眼透镜组的第一变形半鱼眼透镜的末端对应设置；

所述射频接收端与所述变形半鱼眼透镜组的第二变形半鱼眼透镜的末端对应设置；

所述第一变形半鱼眼透镜与第二变形半鱼眼透镜的前端相互间隔对应设置；

所述射频发射端能通过所述变形半鱼眼透镜组的两个变形半鱼眼透镜与所述射频接收端无线耦合传输电磁能量。

上述传输装置中，所述第一变形半鱼眼透镜与第二变形半鱼眼透镜的折射率分布n均满足以下关系式：

其中，n表示折射率；t表示坐标变换的中间变量；x表示x轴方向坐标；y表示y轴方向坐标；z表示z轴方向坐标；a表示变形半鱼眼透镜在x轴方向的半轴长；b表示变形半鱼眼透镜在y轴方向的半轴长；c表示变形半鱼眼透镜在z轴方向的半轴长。

如图5、图6所示，上述传输装置中，所述第一变形半鱼眼透镜和第二变形半鱼眼透镜优选均由N层等厚度的不同折射率介质构成，N为大于2且小于100的整数，每层介质均为射频频段的非导体介质，能让电磁波在其中随折射率变化进行折射，而不会对电磁波具有任何屏蔽作用，每层介质的损耗角正切小于0.02，从而有效控制介质的热损耗，保证最终的能量传输效率；

每层介质的折射率均满足以下的折射率分布关系式：

其中，n表示折射率；t表示坐标变换的中间变量；x表示x轴方向坐标；y表示y轴方向坐标；z表示z轴方向坐标；a表示变形半鱼眼透镜在x轴方向的半轴长；b表示变形半鱼眼透镜在y轴方向的半轴长；c表示变形半鱼眼透镜在z轴方向的半轴长。

优选的，变形半鱼眼透镜组的各变形半鱼眼透镜均是多个具有不同介电常数的低损耗介质拼接而成的半鱼眼透镜，由两个分离的变形半鱼眼透镜组成。两个变形半鱼眼透镜均采用两面凸的几何构型，且不必相同。在典型实施例中，透镜的折射率分布为鱼眼折射率分布的推广：

这种结构的变形半鱼眼透镜组能保证电磁波扩散的前提下，在GHz频段实现无线能量的高效传输。

上述传输装置中，所述射频发射端和所述射频接收端均可以采用多种形式，如采用口径天线或微带贴片天线；

参见图3、图4所示，所采用的口径天线包括：馈电端口、连接波导和喇叭形引向结构；其中，

所述馈电端口经连接波导与喇叭形引向结构电性连接，该喇叭形引向结构与所述变形半鱼眼透镜组的各变形半鱼眼透镜的末端对应设置。

所采用的微带贴片天线包括：馈电端口、介质基板、金属底板和金属辐射贴片；其中，

所述金属辐射贴片通过介质基板设置在金属底板上；

所述馈电端口与所述金属辐射贴片电性连接；

所述金属辐射贴片与所述变形半鱼眼透镜组的各变形半鱼眼透镜的末端对应设置。

上述的传输装置中，射频发射端与射频接收端之间的距离为分米量级，可以根据需求进行调节。

这种结构的变形半鱼眼透镜组，能将射频发射端辐射出来的电磁能量有效集中在射频发射端、所述射频接收端和其间的传输路径中，避免或有效减小传输过程中电磁波的扩散，提升无线能量传输效率。

为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置进行详细描述。

实施例1

参见图3、图4，所述射频发射端和射频接收端均为口径天线，包括馈电端口、连接波导、喇叭形引向结构。

变形半鱼眼透镜组由两个分离的变形半鱼眼透镜组成，其中的变形半鱼眼透镜结构如图5、图6所示，其外形为两个椭球的交集，第一椭球的主轴为75mm，轴比为0.7；第二椭球的主轴为150mm，轴比为1.2；两个椭球中心连线垂直于主轴方向，距离为155mm；一共包括10层不同相对介电常数的介质，每层在主轴方向的厚度均为7.5mm，由内至外的相对介电常数∈r分别为：

∈_r1＝2.52、∈_r2＝2.46、∈_r3＝2.35、∈_r4＝2.19、∈_r5＝2.01

∈_r6＝1.82、∈_r7＝1.62、∈_r8＝1.42、∈_r9＝1.24、∈_r10＝1.08

具体实现上，介质选用尼龙材料，加工方式采用3D打印。整个变形半鱼眼透镜由5mm×5mm×5mm的微单元密集排布而成，通过精密控制每个微单元的介质占空比，实现上述10层不同相对介电常数的等效介质。这种结构的变形半鱼眼透镜也降低了制造难度和制造成本。

本实施例的工作频点为10GHz。

本实施例的传输距离为分米量级，相比图8去除变形半鱼眼透镜组后的结果有显著提升。因此，本实施例的无线电磁能量传输装置，能较好地克服传输效率受传输距离的限制。

如图9所示，一旦离开能量有效传输区域(以R＝75mm为界)，电场强度模值最大值急速衰减。因此，本实施例的无线电磁能量传输装置实现了有效范围外的极低电磁能量泄露。

如图7所示，相较标准半鱼眼透镜而言，通过有目的地设计透镜形状和折射率分布的改变，本实施例的无线电磁能量传输装置提高了能量传输效率，并解决了因分界面阻抗失配导致的某些距离下传输效率突降的问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置，其特征在于，包括：

射频发射端、变形半鱼眼透镜组和射频接收端；其中，

所述变形半鱼眼透镜组由两个分离的第一变形半鱼眼透镜与第二变形半鱼眼透镜组成，所述第一变形半鱼眼透镜与第二变形半鱼眼透镜均为两面凸的几何构型；

所述射频发射端与所述变形半鱼眼透镜组的第一变形半鱼眼透镜的末端对应设置；

所述射频接收端与所述变形半鱼眼透镜组的第二变形半鱼眼透镜的末端对应设置；

所述第一变形半鱼眼透镜与第二变形半鱼眼透镜的前端相互间隔对应设置；

所述射频发射端能通过所述变形半鱼眼透镜组的两个变形半鱼眼透镜与所述射频接收端无线耦合传输电磁能量。

2.根据权利要求1所述的基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置，其特征在于，所述第一变形半鱼眼透镜与第二变形半鱼眼透镜的折射率分布n均满足以下关系式：

其中，n表示折射率；t表示坐标变换的中间变量；x表示x轴方向坐标；y表示y轴方向坐标；z表示z轴方向坐标；a表示变形半鱼眼透镜在x轴方向的半轴长；b表示变形半鱼眼透镜在y轴方向的半轴长；c表示变形半鱼眼透镜在z轴方向的半轴长。

3.根据权利要求1或2所述的基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置，其特征在于，所述第一变形半鱼眼透镜和第二变形半鱼眼透镜均由N层不同折射率介质构成，N为大于2且小于100的整数，每层介质均采用射频频段的非导体介质，每层介质的损耗角正切小于0.02；

每层介质的折射率均满足以下的折射率分布关系式：

其中，n表示折射率；t表示坐标变换的中间变量；x表示x轴方向坐标；y表示y轴方向坐标；z表示z轴方向坐标；a表示变形半鱼眼透镜在x轴方向的半轴长；b表示变形半鱼眼透镜在y轴方向的半轴长；c表示变形半鱼眼透镜在z轴方向的半轴长。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置，其特征在于，所述射频发射端和所述射频接收端均采用口径天线。

5.根据权利要求4所述的基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置，其特征在于，所述口径天线包括：

馈电端口、连接波导和喇叭形引向结构；其中，

所述馈电端口经连接波导与喇叭形引向结构电性连接，该喇叭形引向结构与所述变形半鱼眼透镜组的各变形半鱼眼透镜的末端对应设置。

6.根据权利要求1-3任一项所述的基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置，其特征在于，所述射频发射端和所述射频接收端均采用微带贴片天线。

7.根据权利要求6所述的基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置，其特征在于，所述微带贴片天线包括：

馈电端口、介质基板、金属底板和金属辐射贴片；其中，

所述金属辐射贴片通过介质基板设置在金属底板上；

所述馈电端口与所述金属辐射贴片电性连接；

所述金属辐射贴片与所述变形半鱼眼透镜组的各变形半鱼眼透镜的末端对应设置。

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