[发明专利]一种用于菲涅耳区域高效无线能量传输的超材料天线阵列

说明书

本发明公开一种用于菲涅耳区域高效无线能量传输(WPT)的超材料天线阵列，应用于无线电力传输，针对现有小尺寸的天线阵列无线电力传输效率不高的问题，本发明的超材料天线阵列19，包括通过金属通孔连接到馈电网络的多个紧密间隔的亚波长尺寸电LC(ELC)单元；使用Ansys HFSS的遗传算法优化工具和ELC等效设计模型(包括Floquet端口和主/从边界条件)优化电LC(ELC)单元晶胞参数，以在工作频率上实现最大吸收(或辐射)效率和阻抗匹配，采用本发明天线阵列作为WPT系统的发射天线1与一个接收天线或天线阵列2，无线电力传输效率能够非常接近连续孔径极限值。

技术领域

本发明属于无线电力传输(WPT)领域，特别涉及一种基于超材料的天线阵列技术。

背景技术

完整的无线电力传输(WPT)系统设计是一个复杂的设计过程，从上世纪至今受到了广泛关注。我们假设基于远场辐射机制的WPT系统，该系统由直流/交流电源，射频功率源，发射天线，接收天线和整流电路组成。

发射和接收天线阵列是辐射WPT系统的重要组成部分，它会显著影响整个WPT系统的效率。在菲涅耳区域，文献“A.F.Kay,“Near-field gain of aperture antennas,”IRETrans.Antennas Propag.,vol.AP-8,pp.586-593Nov.1960.”和“G.V.Borgiotti,“Maximumpower transfer between two planar apertures in the Fresnel Zone,”IRETrans.Antennas Propag.,vol.AP-14,no.8,pp-158-163,Mar.1966.”描述了两个给定连续孔径的发射-接收天线阵列效率的理论评估及其优化。然而，所提出的方法仅对连续孔径的情况有效，而不能描述离散天线阵列的实际情况。

文献“W.Geyi,“Foundations of applied electrodynamics”.New York,NY,USA:Wiley,2010(pp.273-275).”和“L.Shan and W.Geyi,“Optimal design of focusedantenna arrays,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.62,no.11,pp.5565-5571,Nov.2014.”提供了当考虑离散天线阵列时用于优化孔径照度的方法。该方法可以考虑天线元件之间的相互耦合，并且该方法由于这个原因在很大程度上被推广。在文献“L.Shan andW.Geyi,“Optimal design of focusedantenna arrays,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.62,no.11,pp.5565-5571,Nov.2014.”、“V.R.Gowda,O.Yurduseven,G.Lipworth,T.Zupan,M.S.Reynolds,and D.R.Smith,“Wireless power transfer in the radiativenear field,”IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.,vol.15,pp.1865–1868,2016.”、“W.Geyi,“Optimal design of antenna arrays,”in Proc.IEEE InternationalWorkshop on Antenna Technology(IWAT),Sydney,NSW,Australia,Mar.2014.”中描述的实际情况中，天线阵列由微带贴片天线构成，其天线单元之间的距离约为0.5λ-0.6λ，其中λ是波长。在这种情况下，除了由于相互耦合引起的最小偏差外，获得的最佳孔径照度非常接近理想长椭球波函数的量化形式。尽管如此，因为天线阵列的面积不大(所以天线单元数量不超过4x4或6x6)，获得的效率仍远不及使用连续孔径天线所能达到的效果。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出应用一种用于菲涅耳区域高效无线能量传输的超材料天线阵列，通过配备有金属通孔的亚波长尺寸的电LC单元来实现提出的基于超材料的天线阵列。