CN111326854B - 一种聚焦超表面反射阵列天线的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚焦超表面反射阵列天线及其制备方法，该反射阵列天线由馈电喇叭及3600个相移单元组成，不需要复杂的馈电网络，制造工艺简单,加工成本，且阵列为平面，易于拆卸和转运。单元贴片由一个方形和一个同心方环组成，相移补偿范围大，且相移对加工误差不敏感。同时，相移单元面积利用率高，反射特性好，损耗低；在轴线上采用多点聚焦，使天线在长距离内维持较高的传输效率。最终实现10m范围内能量传输效率达到45％以上，适合在微波无线能量传输领域推广应用。

Description

一种聚焦超表面反射阵列天线的制备方法

技术领域

本发明属于无线能量传输领域，特别涉及一种聚焦超表面反射阵列天线及其制备方法。

背景技术

随着科技的发展与时代的进步，传统的有线输电方式已经不能满足人们的生活需求。因此实现无线能量传输(WPT)将使人类应用电能更加宽广、更加灵活。根据传输机理的不同，为了实现远距离传输，可以利用微波无线电能传输进行远场辐射，但这种***由于发射波束的发散存在的远场距离损耗。采用近场聚焦(NFF)，从理论上讲，可以将来自发射源的电磁波会聚在天线辐射近场区的某个点上，从而避免了由于波束发散而造成的不必要的能量损失。NFF已通过各种天线结构实现，例如抛物面天线，透镜天线，相控阵天线等。但是抛物面天线加工困难，相控阵天线加工复杂且TR组件损耗大，这些问题都阻碍了NFF用于WPT的发展。超表面通过周期性或亚波长电磁的非周期排列结构，调节每个单元的相位，实现波束方向控制，这就使能量在近场区域内的一个点上聚焦，大大提高了无线能量传输的效率。

现有技术提出了一种近场聚焦平面反射阵天线设计方法，该方法先确定反射阵天线的单元结构,选取反射阵天线的尺寸及单元间距,然后选择馈源和焦点的位置,将馈源发出的电磁波照射到反射阵天线上,然后按照公式计算每个反射阵天线单元的补偿相位,调节反射阵天线单元的尺寸满足补偿相位,实现预期的聚焦。该方法存在的不足之处是：1、介质板上的金属贴片为三振子，金属贴片在覆盖介质板时，相移单元的单位面积的利用率不高。 2、该方法设计的天线由于尺寸及焦点的设置，无法实现长距离高效率能量传输。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚焦超表面反射阵列天线及其制备方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种聚焦超表面反射阵列天线，包括馈电喇叭和超表面反射阵列；馈电喇叭天线采用波导馈电方式，喇叭张口属于角锥喇叭天线；喇叭天线偏馈，位于 (x＝0,y＝-Htanθ₀,z＝H)，θ₀是喇叭偏移角度，H是馈电高度；超表面反射阵列由若干个相移单元组成的正方形，超表面反射阵列的相移单元间距为d。

进一步的，相移单元包括阵元贴片、介质基板、接地平面和空气层；阵元贴片包括一个方形和一个环形贴片，介质基板置于阵元贴片下方，接地平面置于相移单元最下方；空气层置于介质基板与接地平面之间。

进一步的，方形贴片长度与环形贴片长度比例为s，取值范围0<s<1，环形贴片宽度与长度比例为q，取值范围0<q<1；介质基板所用材料为Rogers 5880，厚度为t；空气层厚度为g。

进一步的，相移单元相位特性在HFSS中周期性Floquet边界条件模拟，且电场沿y方向，入射波角度为θ₀。

进一步的，超表面阵列上方z轴轴线上具有3个不同的焦点，坐标分别为(0m,0m,6m), (0m,0m,9m),(0m,0m,12m),且每个聚焦位置的场幅值相同。

进一步的，超表面反射阵列由Visual Basic脚本自动控制电磁仿真软件HFSS建立；超表面反射阵列由3600个相移单元组成呈直径为1.14m的正方形，中心工作频率为5.8GHz。

进一步的，一种聚焦超表面反射阵列天线的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，确定超表面反射阵列的相移单元结构；

步骤2，绘制相移曲线，在HFSS中用Floquet端口将相移单元的环形贴片长度在取值范围内依次进行仿真，得到不同长度下对应的反射相位，贴片长度与反射相位绘制成一条相移曲线；

步骤3，确定聚焦超表面阵列的大小，超表面阵列由N*N个相移单元组成；

步骤4，确定馈电喇叭及位置，喇叭中心工作频率为5.8GHz，高度为H，根据馈源方向图确定焦径比H/L，优化出最佳的焦径比为H/L＝0.64。

步骤5，确定超表面电磁波聚焦位置，选取3个不同的焦点，坐标分别为(0m,0m,6m), (0m,0m,9m),(0m,0m,12m),且每个焦点场的幅值相同；

步骤6，确定超表面阵列天线各个单元的补偿相位，用步骤4得到馈电喇叭及位置，在CST中模拟了角锥喇叭的辐射电场在阵面上的相位分布；利用下面的相位公式，计算超表面聚焦阵天线产生聚焦的相位：

其中

表示产生M个聚焦点的第i个单元的相位；arg为反正切操作，M表示焦点总数，∑为求和操作，exp表示以自然对数为底的指数操作，j表示复数的虚数单位，k₀位真空波束；

表示坐标原点到第m个焦点的距离矢量，

为坐标远点到第i个单元中心的距离矢量；

用超表面聚焦阵天线产生聚焦的相位减去喇叭的辐射电场在阵面上的相位，得到每个阵列单元所需调节的相位。

步骤7，确定聚焦超表面每个单元的尺寸，将聚焦超表面每个单元位置与补偿相位对应起来，再将补偿相位与超表面聚焦阵列单元的长度对应起来，就可得到每个单元的尺寸；

步骤8，构造聚焦超表面阵列天线，在确定天线单元结构，天线尺寸，馈电喇叭位置及单元贴片长度后，在HFSS中建立天线模型，编辑Visual Basic脚本，自动控制HFSS 建立反射阵列天线模型；

步骤9，得到功率的空间分布，将在HFSS中建立好的模型导入CST，在CST微波工作室的全波时域求解器完成天线仿真。

进一步的，编辑Visual Basic脚本，自动控制HFSS建立反射阵列天线模型的步骤如下：

(1)打开HFSS桌面，打开项目窗口后，按“record script file”将后续操作都将记录在一个文本文件中，通过重复此步骤，记录所有重要的函数，并将其保存在代码编辑器中作为单独的代码块；

(2)定义变量，这些变量将用于定义阵列天线的大小；

(3)计算所有单元的尺寸，并导入到Visual Basic脚本编辑器中，调用VB脚本来绘制所有单元，并在需要时重复/优化结果。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明所述的聚焦超表面反射阵列天线采用的单元贴片结构简单，相移补偿范围大，并且相移对加工误差不敏感，降低了加工要求。同时，相移单元面积利用率高，反射特性好，损耗低，使天线在长距离内维持较高的传输效率。天线采用喇叭馈电，没有复杂的馈电网络，克服了传统设计馈电复杂的缺点，减少了加工成本，且阵列为平面，易于拆卸和转运。

本发明实施例的用于长距离无线能量传输的聚焦超表面阵列天线，没有复杂的馈电网络，制造工艺简单。选取合适的相移阵元贴片，提高了单位面积利用率，反射特性好，损耗低，使天线在一定距离内维持较高的传输效率，贴片相位对加工误差不敏感，降低了加工要求。同时使用VBS控制HFSS自动建模，大大提高了建模效率。最终实现天线在 10m范围内能量传输效率达到45％以上。

附图说明

图1是本发明一个实施例的相移单元结构示意图

图2是本发明一个实施例的相移单元结构立体图示意图

图3是本发明一个实施例的相移单元相移曲线

图4是本发明一个实施例的相移单元反射系数

图5是本发明一个实施例的馈电喇叭位置示意图

图6是本发明一个实施例的超表面阵列示意图

图7是本发明一个实施例的馈源发射的场到超表面阵列的相位分布

图8是本发明一个实施例的相移阵元形成相应焦点所需的相位分布

图9是本发明一个实施例的各个阵元所需调节的相位分布

图10是本发明一个实施例的xoz平面功率模拟结果

图11是本发明一个实施例的yoz平面功率模拟结果

图12是本发明一个实施例的传输效率随距离的变化结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1至图11，一种聚焦超表面反射阵列天线，包括馈电喇叭和超表面反射阵列；馈电喇叭天线采用波导馈电方式，喇叭张口属于角锥喇叭天线；喇叭天线偏馈，位于 (x＝0,y＝-Htanθ₀,z＝H)，θ₀是喇叭偏移角度，H是馈电高度；超表面反射阵列由若干个相移单元组成的正方形，超表面反射阵列的相移单元间距为d。

相移单元包括阵元贴片、介质基板、接地平面和空气层；阵元贴片包括一个方形和一个环形贴片，介质基板置于阵元贴片下方，接地平面置于相移单元最下方；空气层置于介质基板与接地平面之间。

方形贴片长度与环形贴片长度比例为s，取值范围0<s<1，环形贴片宽度与长度比例为q，取值范围0<q<1；介质基板所用材料为Rogers 5880，厚度为t；空气层厚度为g。

相移单元相位特性在HFSS中周期性Floquet边界条件模拟，且电场沿y方向，入射波角度为θ₀。

超表面阵列上方z轴轴线上具有3个不同的焦点，坐标分别为(0m,0m,6m), (0m,0m,9m),(0m,0m,12m),且每个聚焦位置的场幅值相同。

超表面反射阵列由Visual Basic脚本自动控制电磁仿真软件HFSS建立；超表面反射阵列由3600个相移单元组成呈直径为1.14m的正方形，中心工作频率为5.8GHz。

一种聚焦超表面反射阵列天线的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，确定超表面反射阵列的相移单元结构；

步骤2，绘制相移曲线，在HFSS中用Floquet端口将相移单元的环形贴片长度在取值范围内依次进行仿真，得到不同长度下对应的反射相位，贴片长度与反射相位绘制成一条相移曲线；

步骤3，确定聚焦超表面阵列的大小，超表面阵列由N*N个相移单元组成；

步骤4，确定馈电喇叭及位置，喇叭中心工作频率为5.8GHz，高度为H，根据馈源方向图确定焦径比H/L，优化出最佳的焦径比为H/L＝0.64。

步骤5，确定超表面电磁波聚焦位置，选取3个不同的焦点，坐标分别为(0m,0m,6m), (0m,0m,9m),(0m,0m,12m),且每个焦点场的幅值相同；

步骤6，确定超表面阵列天线各个单元的补偿相位，用步骤4得到馈电喇叭及位置，在CST中模拟了角锥喇叭的辐射电场在阵面上的相位分布；利用下面的相位公式，计算超表面聚焦阵天线产生聚焦的相位：

其中

表示产生M个聚焦点的第i个单元的相位；arg为反正切操作，M表示焦点总数，∑为求和操作，exp表示以自然对数为底的指数操作，j表示复数的虚数单位，k₀位真空波束；

表示坐标原点到第m个焦点的距离矢量，

为坐标远点到第i个单元中心的距离矢量；

用超表面聚焦阵天线产生聚焦的相位减去喇叭的辐射电场在阵面上的相位，得到每个阵列单元所需调节的相位。

步骤7，确定聚焦超表面每个单元的尺寸，将聚焦超表面每个单元位置与补偿相位对应起来，再将补偿相位与超表面聚焦阵列单元的长度对应起来，就可得到每个单元的尺寸；

步骤8，构造聚焦超表面阵列天线，在确定天线单元结构，天线尺寸，馈电喇叭位置及单元贴片长度后，在HFSS中建立天线模型，编辑Visual Basic脚本，自动控制HFSS 建立反射阵列天线模型；

步骤9，得到功率的空间分布，将在HFSS中建立好的模型导入CST，在CST微波工作室的全波时域求解器完成天线仿真。

编辑Visual Basic脚本，自动控制HFSS建立反射阵列天线模型的步骤如下：

(1)打开HFSS桌面，打开项目窗口后，按“record script file”将后续操作都将记录在一个文本文件中，通过重复此步骤，记录所有重要的函数，并将其保存在代码编辑器中作为单独的代码块；

(2)定义变量，这些变量将用于定义阵列天线的大小；

(3)计算所有单元的尺寸，并导入到Visual Basic脚本编辑器中，调用VB脚本来绘制所有单元，并在需要时重复/优化结果。

实施例：

步骤1确定超表面反射阵列的相移单元结构，如图1。所述单元贴片由一个方形和一个同心方环组成。方形贴片长度与环形贴片长度比例为s，环形贴片宽度,与长度比例为q。

环形贴片长度a₁的取值范围为4mm＜＝a₁＜＝19mm，方形贴片长度与环形贴片长度比例为s为0.65，环形贴片宽度,与长度比例为q为0.01。为了避免栅瓣，单元的间距d小于λ/2，为19mm。为了使相移曲线更加平滑，空气层的厚度g为5.5mm。介质基板的厚度t为0.75mm。

步骤2绘制相移曲线。在HFSS中用Floquet端口将相移单元的环形贴片长度a₁在取值范围内依次进行仿真，电场沿y方向，入射波角度为θ₀＝25°。得到不同长度下对应的反射相位。贴片长度a₁与反射相位绘制成一条相移曲线，如图2。贴片长度a₁与反射系数的曲线如图3。

步骤3确定聚焦超表面阵列的大小。超表面阵列由N*N个相移单元组成。即阵列尺寸为 L＝N*d，N＝60。

步骤4确定馈电喇叭及位置。喇叭采用标准角锥喇叭，馈电方式采用偏馈，偏移度数为θ₀＝25°，如图4。喇叭中心工作频率为5.8GHz，高度为H，根据馈源方向图确定焦径比H/L，将溢出效率和照明效率综合考虑，优化出最佳的焦径比为H/L＝0.64。

步骤5确定超表面电磁波聚焦位置。图5给出了超表面反射阵列示意图，焦点位于阵列上方z轴轴线上，在想要高效率的传输的位置选取M个焦点位置，这里选取3个不同的焦点，坐标分别为(0m,0m,6m),(0m,0m,9m),(0m,0m,12m),且每个焦点场的幅值相同。

步骤6确定超表面阵列天线各个单元的补偿相位。

因为馈源到阵列各个相移单元的传输路径距离不同，从而致使入射波到达各个单元的相位不一样。为了得到由路程引起的相位

用步骤4得到馈电喇叭及位置，在CST中模拟了角锥喇叭的辐射电场在阵面上的相位分布，如图6。

利用下面的相位公式，计算超表面聚焦阵天线产生聚焦的相位。

其中

表示产生M个聚焦点的第i个单元的相位。arg为反正切操作，M表示焦点总数，∑为求和操作，exp表示以自然对数为底的指数操作，j表示复数的虚数单位， k₀位真空波束。

表示坐标原点到第m个焦点的距离矢量，

为坐标远点到第i个单元中心的距离矢量。计算结果如图7。

为了计算每个阵列单元所需调节的相位，用超表面聚焦阵天线产生聚焦的相位减去喇叭的辐射电场在阵面上的相位，图8为每个阵列单元所需调节的相位。

步骤7确定聚焦超表面每个单元的尺寸。将聚焦超表面每个单元位置与补偿相位对应起来，再将补偿相位与超表面聚焦阵列单元的长度对应起来，就可得到每个单元的尺寸。

步骤8构造聚焦超表面阵列天线。在确定天线单元结构，天线尺寸，馈电喇叭位置及单元贴片长度后，在HFSS中建立天线模型。由于阵列过大，单元较多，人工建模有很大难度，因此编辑Visual Basic脚本，自动控制HFSS建立反射阵列天线模型。编辑Visual Basic脚本，自动控制HFSS建立反射阵列天线模型的步骤如下。

(1)打开HFSS桌面，打开项目窗口后，按“record script file”将后续操作都将记录在一个文本文件中。通过重复此步骤，可以记录所有重要的函数(分析、频率扫描、边界分配等)，并将其保存在代码编辑器中作为单独的代码块。

(2)定义变量，这些变量将用于定义阵列天线的大小。

(3)计算所有单元的尺寸，并导入到Visual Basic脚本编辑器中。调用VB脚本来绘制所有单元，并在需要时重复/优化结果。

步骤9得到功率的空间分布。将在HFSS中建立好的模型导入CST，在CST微波工作室的全波时域求解器完成天线仿真。图9和图10分别展示了xoz和yoz平面功率的模拟结果。

步骤10得到无线能量传输效率。在阵列上方有一方形接收面，面积0.25m²。利用下面公式求接收天线捕获到的接收功率。

无线能量传输效率η为接收功率与喇叭注入功率之比，图11展示了传输效率随距离的变化，可以看出10m范围内能量传输效率达到45％以上。

Claims (1)

1.一种聚焦超表面反射阵列天线的制备方法，其特征在于，基于一种聚焦超表面反射阵列天线，包括馈电喇叭和超表面反射阵列；馈电喇叭天线采用波导馈电方式，喇叭张口属于角锥喇叭天线；喇叭天线偏馈，位于(x＝0,y＝-H tanθ₀,z＝H)，θ₀是喇叭偏移角度，H是馈电高度；超表面反射阵列是由若干个相移单元组成的正方形，超表面反射阵列的相移单元间距为d；

相移单元包括阵元贴片、介质基板、接地平面和空气层；阵元贴片包括一个方形和一个环形贴片，介质基板置于阵元贴片下方，接地平面置于相移单元最下方；空气层置于介质基板与接地平面之间；

方形贴片长度与环形贴片长度比例为s，取值范围0<s<1，环形贴片宽度与长度比例为q，取值范围0<q<1；介质基板所用材料为罗杰斯5880，介电常数2.2，厚度为t；空气层厚度为g；

相移单元相位特性在HFSS中采用周期性Floquet边界条件模拟，且电场沿y方向，入射波角度为θ₀；

超表面阵列上方z轴轴线上具有3个不同的焦点，坐标分别为(0m,0m,6m),(0m,0m,9m),(0m,0m,12m),且每个聚焦位置的场幅值相同；

超表面反射阵列由Visual Basic脚本自动控制电磁仿真软件HFSS建立；超表面反射阵列由3600个相移单元组成呈直径为1.14m的正方形，中心工作频率为5.8GHz；

包括以下步骤：

步骤1，确定超表面反射阵列的相移单元结构；

步骤2，绘制相移曲线，在HFSS中用Floquet端口将相移单元的环形贴片长度在取值范围内依次进行仿真，得到不同长度下对应的反射相位，贴片长度与反射相位绘制成一条相移曲线；

步骤3，确定聚焦超表面阵列的大小，超表面阵列由N*N，N＝60个相移单元组成；

步骤4，确定馈电喇叭及位置，喇叭中心工作频率为5.8GHz，高度为H，根据馈源方向图确定焦径比H/L，优化出最佳的焦径比为H/L＝0.64；L为单元整体尺寸，L＝N*d；

步骤5，确定超表面电磁波聚焦位置，选取3个不同的焦点，坐标分别为(0m,0m,6m),(0m,0m,9m),(0m,0m,12m),且每个焦点场的幅值相同；

步骤6，确定超表面阵列天线各个单元的补偿相位，用步骤4得到的馈电喇叭及位置，在CST中模拟了角锥喇叭的辐射电场在阵面上的相位分布；利用下面的相位公式，计算超表面聚焦阵天线产生聚焦的相位：

其中

表示产生M个聚焦点的第i个单元的相位；arg为反正切操作，M表示焦点总数，∑为求和操作，exp表示以自然对数为底的指数操作，j表示复数的虚数单位，k₀为真空波束；

表示坐标原点到第m个焦点的距离矢量，

为坐标原点到第i个单元中心的距离矢量；

用超表面聚焦阵天线产生聚焦的相位减去喇叭的辐射电场在阵面上的相位，得到每个阵列单元所需调节的相位；

步骤7，确定聚焦超表面每个单元的尺寸，将聚焦超表面每个单元位置与补偿相位对应起来，再将补偿相位与超表面聚焦阵列单元的环形贴片长度对应起来，得到每个单元的尺寸；

步骤8，构造聚焦超表面阵列天线，在确定天线单元结构，天线尺寸，馈电喇叭位置及单元贴片长度后，在HFSS中建立天线模型，编辑Visual Basic脚本，自动控制HFSS建立反射阵列天线模型；

步骤9，得到功率的空间分布，将在HFSS中建立好的模型导入CST，在CST微波工作室的全波时域求解器完成天线仿真；

编辑Visual Basic脚本，自动控制HFSS建立反射阵列天线模型的步骤如下：

(1)打开HFSS桌面，打开项目窗口后，按“record script file”将后续操作都将记录在一个文本文件中，通过重复此步骤，记录所有重要的函数，并将其保存在代码编辑器中作为单独的代码块；

(2)定义变量，这些变量将用于定义阵列天线的大小；

(3)计算所有单元的尺寸，并导入到Visual Basic脚本编辑器中，调用VB脚本来绘制所有单元，并在需要时重复/优化结果。

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