[發明專利]評估電磁超表面無線射頻功率傳輸效率的計算方法及裝置

有效

• 申請號: 202210618017.8
• 申請日: 2022-06-01
• 公開（公告）號: CN115225120B
• 公開（公告）日: 2023-02-24
• 發明（設計）人: 李龍;武嘯楠;薛皓;張松;李奕岑;趙世豪
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04B5/00
• 分類號: H04B5/00;H04B17/00;H04B17/318;H02J50/80;H02J50/00
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務所 11430
• 代理人: 耿慧敏;成丹

本發明涉及一種用于評估電磁超表面的無線射頻功率傳輸效率的計算方法，至少解決基于超表面的無線能量傳輸系統的射頻傳輸效率難以準確快速評估的問題。本發明方法主要通過數值計算的方式評估基于超表面的無線能量傳輸系統的射頻傳輸效率，相比傳統的計算公式大大提高了近場的評估準確性，相比僅通過仿真計算具有快速高效的特點，可以用于簡化基于超表面的無線能量傳輸系統的設計與驗證過程，對于開發基于超表面的遠程、大功率無線能量傳輸技術和物聯網技術具有重要意義。

技術領域

本公開涉及無線能量傳輸技術，尤其涉及一種評估電磁超表面無線射頻功率傳輸效率的計算方法及裝置。

背景技術

無線能量傳輸技術(Wireless Power Transfer,WPT)已經被廣泛應用，例如移動設備、可穿戴設備、可植入式醫療設備和電動汽車。這些應用大多采用基于電感耦合或諧振耦合的固定無線充電方法，然而這兩種方法只適合用于在近場范圍內進行充電。另一方面，對于距離大于1m的長距離能量傳輸，只能通過微波輻射傳輸。微波在空間中的傳輸伴隨著強烈的衰減和損耗，為了解決這個問題，當下新型的微波功率傳輸(Microwave PowerTransfer,MPT)系統通常采用帶有波束賦形技術的發射天線。在遠場區域，高增益定向波束能夠增大傳播距離和傳輸功率，近場聚焦波束能將電磁波匯聚在近場區域外邊界以內的某一點。因此，近場聚焦波束可以提高電磁能量的近場傳輸效率，通常被采用在近場范圍內的WPT系統中。

Friis公式和Goubau公式因其具有簡單的計算形式而被廣泛使用，但是在菲涅爾區和感應近場區還是會產生較大的誤差，因此關于WPT效率的分析方法仍被廣泛研究。改進的Friis公式和Goubau公式分別于2013年和2018年被提出。2021年，一種計算大型陣列天線之間WPT效率的計算方法被提出，然而，針對當下先進的基于超表面的WPT系統中的傳輸效率，還沒有一種簡單有效的數值計算方法。目前使用High Frequency StructureSimulator(HFSS)等商業電磁仿真軟件，對WPT系統中的超表面和接收天線的結構以及周圍電磁環境進行建模，可以得到非常準確的結果。但是隨著WPT技術的發展，傳輸功率和傳輸距離的增長，天線口徑也不斷增大。這就導致電磁仿真需要很長的時間和大量的計算資源，有時可能根本無法進行仿真。因此提出一種能夠準確計算超表面的WPT效率的數值計算方法是非常有必要的。

發明內容

針對上述現有技術，本發明要解決的問題至少是：因超表面口徑過大而難以評估近場傳輸效率、不能根據波束形狀的不同計算不同情況下的傳輸效率、以及如何高效快速地得到準確結果。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案如下：

第一方面，本發明提出一種評估電磁超表面的無線射頻功率傳輸效率的計算方法，所述方法包括下述步驟：

獲取第m個超表面單元的幾何中心到接收天線的相位中心距離R_m，m＝1,2,…,M，M是超表面單元的總數；

獲取第m個超表面單元到接收天線的輻射電場E_m；

基于所述距離R_m和E_m，按下式計算接收天線的接收功率P_H：

式中：η表示空間波阻抗；

獲取輸入饋源的饋電功率P_F，利用計算超表面到接收天線的傳輸效率。

在上述技術方案中，本發明將超表面單元視作獨立的輻射單元，通過單個單元的口徑小且遠場范圍廣，克服傳統方法因超表面口徑過大而難以評估近場傳輸效率的問題。在計算時，基于場的疊加原理，將每個超表面單元的輻射電場進行矢量疊加，從而求得超表面到接收天線的傳輸效率的表達式，大大提高了無線能量傳輸系統近場射頻效率評估的準確性。

在上述技術方案中，所述輻射電場的一種獲取方式包括下述步驟：