[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

本發明涉及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，包括能量轉換單元以及功能層；功能層包括液態金屬超表面結構層且以能量轉換單元為軸且沿圓周分布，形成圓周分布超表面；或者功能層還包括接地金屬層，功能層以能量轉換單元為圓心且沿徑向分布，形成徑向分布超表面；液態金屬超表面結構層包括介質基板和設置在介質基板上的若干個超表面結構單元；每個超表面結構單元均包括設置在介質基板上的液態金屬收集器、電解質溶液收集器以及環形的超表面結構單元通道，液態金屬收集器和電解質溶液收集器均勻分布且與超表面結構單元通道相連通。在無線充電中，本發明液態金屬超表面結構能夠實現相位動態可調，對波源的匯聚效果強。

技術領域

本發明涉及無線充電領域，特別涉及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。

背景技術

無線充電技術是指通過電磁感應、電磁共振、射頻、微波、激光等方式實現非接觸式電能傳輸的技術，被視為具有基礎應用性意義的前沿科技，在電動汽車、體內植入式醫療器械、小型機器人、便攜式智能設備、物聯網設備充電中有著巨大的應用價值。

當前無線充電技術面臨的主要挑戰之一是如何在一個合理的距離上獲得較高的傳輸效率。現在最成熟的是電磁感應無線充電技術，這種方式下的能量傳遞主要是在較低的頻率下通過原副線圈之間耦合的無輻射磁場進行。由于這種近場電感應方式的無線充電系統對于人體相對安全并且在較短的距離內有較高的效率，所以已經有很多的商業化嘗試。但是由于近場耦合會隨著原副線圈之間的距離增大迅速下降(以距離倒數的六次方下降)，因此近場無線充電方案要求接收裝置距離能量源足夠近。這種近距離的約束極大地限制了無線充電技術的應用；電磁感應無線充電對充電距離具有要求，而高頻微波可實現遠場無線充電，可以在較長的距離下實現能量的傳輸，尤其是難以到達的區域(如危險區域、狹窄空間等)或是目標內嵌于其它設備的情況。

無線充電技術需要解決的另一個難題是如何為移動目標供電。如果是被充電目標是移動的，無線充電系統還需擁有機械掃描或者電子參數可調節的功能。

射頻系統使用一個或多個天線傳輸能量并進行通信。如使用現有的wifi信號、藍牙和手機信號實現數據通信和無線功率接收，然后將這些微波信號能量能流轉化為直流電能，直接實現對小功率電子設備的無線充電；通過大幅提高體系供電量、供電距離及效率，有望驅動功耗高達數十千瓦的電動汽車等設備，進一步推動無線充電技術的發展。

超表面結構是一種亞波長厚度的人工微結構單元，具有可以有效操控電磁波的相位、振幅及傳播模式等特性，通過合理的結構設計產生相位突變實現波束調控，可以通過多種結構和方式將微波或聲波信號能量高效集中起來，轉換成直流電流用于無線充電。

目前設計的超表面結構基本都是平面形式，僅能通過可調實現正面方向入射波的匯聚和轉換，匯聚效果差。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中存在的問題，提供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，制得的充電器件能夠面向移動目標且動態可調頻。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

包括能量轉換單元以及功能層；功能層以能量轉換單元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和接地金屬層；在圓周分布超表面中，功能層包括液態金屬超表面結構層；液態金屬超表面結構層包括介質基板和設置在介質基板上的若干個超表面結構單元；

每個超表面結構單元均包括設置在介質基板上的液態金屬收集器、電解質溶液收集器以及環形的超表面結構單元通道，液態金屬收集器和電解質溶液收集器均勻分布在超表面結構單元通道的四周且與超表面結構單元通道相連通。

進一步地，介質基板的材質為PDMS或Ecoflex塑料。