用于无线电力传输的轴向可调与平面可调聚焦超表面

《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》：On-Axis and On-Plane Tunable Focusing Metasurfaces for Wireless Power Transfer

基于可调焦超表面（TFMs）的无线能量传输系统研究，提出两种新型TFMs：OATFM实现90-440mm焦距连续调节，OPTFM支持42°仰角和360°方位波束偏转。双子午线超表面通过相位分布设计实现动态聚焦，传输效率均超80%，聚焦效率达50%以上。实验验证了采用馈源天线和4×4微带阵列接收的完整WPT系统，OATFM和OPTFM系统效率分别为25.3%和30.8%，与仿真结果吻合。

　　

摘要：

近年来，无线电力传输（WPT）因其在多个领域的巨大潜力而受到了广泛关注。然而，现有的大多数WPT研究依赖于具有固定波束方向和焦距的近场聚焦（NFF）天线，这使得它们不适用于接收端动态变化或位置不同的许多场景。在本文中，提出了两种具有不同可调聚焦能力的超表面。这两种可调聚焦超表面（TFMs）由两个级联的子超表面组成，这些子超表面具有专门设计的相位分布，通过同轴相对旋转可以在z轴或xy平面上实现大范围连续聚焦调节。轴向TFM（OATFM）的焦距可以从90毫米连续调节到440毫米，而平面TFM（OPTFM）在仰角方向上的波束指向能力可达42°，在方位角方向上可实现360°的全范围调节。研究了这两种TFMs在其子超表面不同相对旋转角度下的聚焦性能。仿真结果表明，两种TFM在所有相对旋转角度下的传输效率均超过80%，最大聚焦效率超过50%。为了验证所提出的两种TFM的有效性，制造了一个焦距为100毫米的OATFM和一个焦距为200毫米的OPTFM，并进行了近场扫描测量以验证其聚焦和调节能力。为了完成完整的WPT实验，还设计并制造了一个4×4微带天线阵列（MAA）作为接收端。最后，利用这两种TFM以及馈电喇叭天线和接收MAA构建了两个WPT系统。采用OATFM的系统实现了25.3%的最大系统效率，采用OPTFM的系统实现了30.8%的最大系统效率。实验结果与仿真结果非常吻合，表明所提出的这两种TFM具有很好的应用前景...

显示更多