[發明專利]一種動態可調頻超表面結構無線充電器件及無線充電方法

有效

• 申請號: 201710876763.6
• 申請日: 2017-09-25
• 公開（公告）號: CN107769298B
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 梁慶宣;郭建勇;程勇;江子杰;吳寶東;錢泓涯
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H02J7/00
• 分類號: H02J7/00;H02J50/00;H02J50/20
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

1.一種動態可調頻超表面結構無線充電器件，其特征在于：包括能量轉換單元(4)以及功能層；功能層以能量轉換單元(4)為圓心且沿徑向分布，形成徑向分布超表面；或者功能層以能量轉換單元(4)為軸且沿圓周分布，形成圓周分布超表面；

在徑向分布超表面中，功能層包括依次疊層設置的液態金屬超表面結構層(1)和接地金屬層(3)；在圓周分布超表面中，功能層包括液態金屬超表面結構層(1)；液態金屬超表面結構層(1)包括介質基板(2)和設置在介質基板(2)上的若干個超表面結構單元(8)；

每個超表面結構單元(8)均包括設置在介質基板(2)上的液態金屬收集器(5)、電解質溶液收集器(6)以及環形的超表面結構單元通道(7)，液態金屬收集器(5)和電解質溶液收集器(6)均勻分布在超表面結構單元通道(7)的四周且與超表面結構單元通道(7)相連通。

2.根據權利要求1所述的一種動態可調頻超表面結構無線充電器件，其特征在于：介質基板(2)的材質為PDMS或Ecoflex塑料。

3.根據權利要求1所述的一種動態可調頻超表面結構無線充電器件，其特征在于：液態金屬收集器(5)和電解質溶液收集器(6)均為兩個，且液態金屬收集器(5)和電解質溶液收集器(6)呈中心對稱分布。

4.根據權利要求1所述的一種動態可調頻超表面結構無線充電器件，其特征在于：液態金屬采用鎵或鎵基液態金屬合金。

5.根據權利要求1所述的一種動態可調頻超表面結構無線充電器件，其特征在于：徑向分布超表面的相位梯度滿足以下公式：

其中θ_i是波源的入射角，n_i是空氣中的折射率，k₀是波矢。

6.根據權利要求1所述的一種動態可調頻超表面結構無線充電器件，其特征在于：圓周分布超表面上每個位置的超表面結構單元(8)的相位為：Φ＝k₀(r-rcosθ)；

其中，k₀是波矢，r為圓周分布超表面的半徑，θ為超表面結構單元(8)平面法線方向與平面波傳播方向的夾角。

7.根據權利要求1所述的一種動態可調頻超表面結構無線充電器件，其特征在于：液態金屬超表面結構層(1)的厚度為1～6mm。

8.基于權利要求1所述動態可調頻超表面結構無線充電器件的無線充電方法，其特征在于：采用電控液態金屬的調節方式實現超表面結構調整，通過調整后的超表面結構實現波的匯聚，經過能量轉換，完成無線充電。

9.根據權利要求8所述無線充電方法，其特征在于：具體包括以下步驟：

(1)先通過廣義反射定律計算出徑向分布超表面的相位梯度或者根據相位補償原理推導出圓周分布超表面上每個位置的超表面結構單元(8)的相位Φ；

(2)通過在液態金屬收集器(5)和電解質溶液收集器(6)處施加電壓，控制液態金屬進入注滿電解質溶液的超表面結構單元通道(7)中，形成開口諧振環結構，通過控制施加電壓的方向實現開口諧振環結構開口方向的調整，通過控制施加電壓時間的長短實現開口諧振環結構開口角度大小的調整，直至滿足步驟(1)計算的相位梯度或者相位，完成超表面結構調整；

(3)波源發出的傳播波經過徑向分布超表面后轉換成表面波集中到能量轉換單元(4)上，或者波源發出的傳播波經過圓周分布超表面后直接形成透射波匯聚到能量轉換單元(4)上，由能量轉換單元(4)將表面波或透射波轉換成直流電流，完成無線充電。

10.根據權利要求9所述無線充電方法，其特征在于：步驟(2)中施加電壓是分別在液態金屬收集器(5)的液態金屬以及電解質溶液收集器(6)的電解質溶液中接入電源正極和電源負極，形成回路；在實現開口諧振環結構開口方向的調整過程中，液態金屬收集器(5)的液態金屬中接電源正極，電解質溶液收集器(6)的電解質溶液中接電源負極，在收回開口諧振環結構中的液態金屬時，將電源正極和電源負極反轉。