CN115225120B - 评估电磁超表面无线射频功率传输效率的计算方法及装置 - Google Patents

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CN115225120B CN202210618017.8A CN202210618017A CN115225120B CN 115225120 B CN115225120 B CN 115225120B CN 202210618017 A CN202210618017 A CN 202210618017A CN 115225120 B CN115225120 B CN 115225120B
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Abstract

本发明涉及一种用于评估电磁超表面的无线射频功率传输效率的计算方法，至少解决基于超表面的无线能量传输***的射频传输效率难以准确快速评估的问题。本发明方法主要通过数值计算的方式评估基于超表面的无线能量传输***的射频传输效率，相比传统的计算公式大大提高了近场的评估准确性，相比仅通过仿真计算具有快速高效的特点，可以用于简化基于超表面的无线能量传输***的设计与验证过程，对于开发基于超表面的远程、大功率无线能量传输技术和物联网技术具有重要意义。

Description

评估电磁超表面无线射频功率传输效率的计算方法及装置
技术领域
本公开涉及无线能量传输技术，尤其涉及一种评估电磁超表面无线射频功率传输效率的计算方法及装置。
背景技术
无线能量传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)已经被广泛应用，例如移动设备、可穿戴设备、可植入式医疗设备和电动汽车。这些应用大多采用基于电感耦合或谐振耦合的固定无线充电方法，然而这两种方法只适合用于在近场范围内进行充电。另一方面，对于距离大于1m的长距离能量传输，只能通过微波辐射传输。微波在空间中的传输伴随着强烈的衰减和损耗，为了解决这个问题，当下新型的微波功率传输(Microwave PowerTransfer,MPT)***通常采用带有波束赋形技术的发射天线。在远场区域，高增益定向波束能够增大传播距离和传输功率，近场聚焦波束能将电磁波汇聚在近场区域外边界以内的某一点。因此，近场聚焦波束可以提高电磁能量的近场传输效率，通常被采用在近场范围内的WPT***中。
Friis公式和Goubau公式因其具有简单的计算形式而被广泛使用，但是在菲涅尔区和感应近场区还是会产生较大的误差，因此关于WPT效率的分析方法仍被广泛研究。改进的Friis公式和Goubau公式分别于2013年和2018年被提出。2021年，一种计算大型阵列天线之间WPT效率的计算方法被提出，然而，针对当下先进的基于超表面的WPT***中的传输效率，还没有一种简单有效的数值计算方法。目前使用High Frequency StructureSimulator(HFSS)等商业电磁仿真软件，对WPT***中的超表面和接收天线的结构以及周围电磁环境进行建模，可以得到非常准确的结果。但是随着WPT技术的发展，传输功率和传输距离的增长，天线口径也不断增大。这就导致电磁仿真需要很长的时间和大量的计算资源，有时可能根本无法进行仿真。因此提出一种能够准确计算超表面的WPT效率的数值计算方法是非常有必要的。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的问题至少是：因超表面口径过大而难以评估近场传输效率、不能根据波束形状的不同计算不同情况下的传输效率、以及如何高效快速地得到准确结果。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提出一种评估电磁超表面的无线射频功率传输效率的计算方法，所述方法包括下述步骤：
获取第m个超表面单元的几何中心到接收天线的相位中心距离Rm，m＝1,2,…,M，M是超表面单元的总数；
获取第m个超表面单元到接收天线的辐射电场Em；
基于所述距离Rm和Em，按下式计算接收天线的接收功率PH：
Figure GDA0003993112550000021
式中：η表示空间波阻抗；
获取输入馈源的馈电功率PF，利用
Figure GDA0003993112550000022
计算超表面到接收天线的传输效率。
在上述技术方案中，本发明将超表面单元视作独立的辐射单元，通过单个单元的口径小且远场范围广，克服传统方法因超表面口径过大而难以评估近场传输效率的问题。在计算时，基于场的叠加原理，将每个超表面单元的辐射电场进行矢量叠加，从而求得超表面到接收天线的传输效率的表达式，大大提高了无线能量传输***近场射频效率评估的准确性。
在上述技术方案中，所述辐射电场的一种获取方式包括下述步骤：
获取第m个超表面单元到接收天线的辐射功率密度Wm；
获取第m个超表面单元的辐射相位βm；
根据下式计算第m个超表面单元到接收天线的辐射电场Em:
Figure GDA0003993112550000023
在上述技术方案中，所述辐射功率密度Wm的一种获取方式下述步骤：
获取第m个超表面单元到接收天线的接收功率
Figure GDA0003993112550000024
通过下式计算获得辐射功率密度Wm：
Figure GDA0003993112550000025
将公式(3)代入公式(2)，得到如下计算式：
Figure GDA0003993112550000026
在这个技术方案中，如果获取了第m个超表面单元到接收天线的接收功率
Figure GDA0003993112550000031
第m个超表面单元的辐射相位βm以及第m个超表面单元的几何中心到接收天线的相位中心距离Rm，m＝1,2,…,M，M是超表面单元的总数，可计算得到Em，从而能够计算超表面到接收天线的传输效率。
在上述技术方案中，所述第m个超表面单元到接收天线的接收功率
Figure GDA0003993112550000032
的一种获取方式包括下述步骤：
以第m个超表面单元的相位中心为原点建立直角坐标系；
基于直角坐标系的空间单位向量
Figure GDA0003993112550000033
进而获取接收天线的坐标向量
Figure GDA0003993112550000034
基于坐标向量
Figure GDA0003993112550000035
的俯仰角θm、方位角
Figure GDA0003993112550000036
获取第m个超表面单元在
Figure GDA0003993112550000037
方向上的与接收天线联合极化状态下的实际增益
Figure GDA0003993112550000038
一种获取方式是通过仿真获取，仿真条件为无限周期边界，考虑单元耦合；并获取接收天线在
Figure GDA0003993112550000039
方向上的与第m个超表面单元联合极化状态下的实际增益
Figure GDA00039931125500000310
一种获取方式是通过仿真或者暗室多探头测量的方式获取；
获取第m个超表面单元的出射功率
Figure GDA00039931125500000311
利用下式计算第m个超表面单元到接收天线的接收功率
Figure GDA00039931125500000312
Figure GDA00039931125500000313
式中：λ是工作波长。
将公式(5)代入公式(4)，可得如下计算式：
Figure GDA00039931125500000314
在上述技术方案中，所述获取第m个超表面单元的出射功率
Figure GDA00039931125500000315
一种获取方式包括下述步骤：
获取第m个超表面单元的单元尺寸，进而获取幅度响应Sm(l)；
获取第m个超表面单元的入射功率
Figure GDA00039931125500000316
基于下式计算第m个超表面单元的出射功率
Figure GDA00039931125500000317
Figure GDA0003993112550000041
将公式(7)代入公式(6)，可得如下计算式：
Figure GDA0003993112550000042
在上述技术方案中，所述获取第m个超表面单元的辐射相位βm，一种获取方式包括下述步骤：
获取第m个超表面单元的单元尺寸，继而获取相位响应
Figure GDA0003993112550000043
获取第m个超表面单元到馈源天线的中心相位的距离
Figure GDA0003993112550000044
根据下式计算第m个超表面单元的辐射相位βm：
Figure GDA0003993112550000045
式中：k表示自由空间波数。
将公式(9)代入公式(2)、(4)、(6)、(8)的任一公式均可得到一个新的计算第m个超表面单元到接收天线的辐射电场Em，其中一种计算式为如下：
Figure GDA0003993112550000046
将公式(10)代入公式(1)，可得：
Figure GDA0003993112550000047
从而可得用于计算无线能量传输效率的计算式：
Figure GDA0003993112550000048
在利用公式(12)的计算过程中，将超表面单元视作独立的辐射单元，因单个单元的口径小，远场范围广，克服了传统方法因超表面口径过大而难以评估近场传输效率的问题。通过提取超表面单元上的幅度响应和相位响应，记录了辐射波束的形状。因此不论接收天线和超表面处于何种相对位置的情况下，也不论超表面所产生的传能波束为何种形式、本发明都能准确计算出射频功率的传输效率。通过基于数值计算方法，相对单纯仿真模拟评估的方法，本方法具有高效快速，使用方便，占用计算资源小等优点。
在上述技术方案中，所述第m个超表面单元地入射功率
Figure GDA0003993112550000051
一种获取方式是通过下述步骤获取：
仿真获取馈源喇叭辐射到第m个超表面单元上的表面电场分布
Figure GDA0003993112550000052
按照下式计算每一个超表面单元上的入射功率
Figure GDA0003993112550000053
Figure GDA0003993112550000054
式中：其中δ为超表面单元的面积。
第二方面，本发明提出一种评估电磁超表面的无线射频功率传输效率的计算装置，所述装置包括计算模块；
所述计算模块被配置用于实现下述操作：
计算超表面单元的入射功率
Figure GDA0003993112550000055
根据超表面上的单元尺寸分布以及超表面单元尺寸与幅相响应之间的对应关系提取超表面中单元的幅度响应Sm(l)、相位响应
Figure GDA0003993112550000056
确定第m个超表面单元的几何中心到接收天线的相位中心距离Rm、第m个超表面单元到馈源天线的中心相位的距离
Figure GDA0003993112550000057
以超表面中心为原点建立直角坐标系，基于直角坐标系的空间单位向量
Figure GDA0003993112550000058
进而获取接收天线的坐标向量
Figure GDA0003993112550000059
基于坐标向量
Figure GDA00039931125500000510
的俯仰角θm、方位角
Figure GDA00039931125500000511
获取第m个超表面单元在
Figure GDA00039931125500000512
方向上的与接收天线联合极化状态下的实际增益
Figure GDA00039931125500000513
并获取接收天线在
Figure GDA00039931125500000514
方向上的与第m个超表面单元联合极化状态下的实际增益
Figure GDA00039931125500000515
获取输入馈源的馈电功率PF；
将上述得到的数据代入下式进行计算，获取超表面到接收天线的传输效率
Figure GDA0003993112550000061
Figure GDA0003993112550000062
式中：k表示自由空间波数。
在上述技术方案中，根据馈源与超表面的相对位置关系，通过仿真的手段得到馈源辐射到超表面上的电场分布，在根据Poynting定理就可以计算每一个超表面单元上的入射功率；将超表面单元视作独立的辐射单元，因单个单元的口径小，远场范围广，克服了传统方法因超表面口径过大而难以评估近场传输效率的问题，大大提高了无线能量传输***近场射频效率评估的准确性。通过提取超表面单元上的幅度响应和相位响应，记录了辐射波束的形状。因此不论接收天线和超表面处于何种相对位置的情况下，也不论超表面所产生的传能波束为何种形式、本发明都能准确计算出射频功率的传输效率。采用数值计算的方法，比起只采用商业仿真软件对无线能量传输***的仿真模拟评估其射频传输效率的方法，本方法具有高效快速，使用方便，占用计算资源小等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1、为使用本发明方法原理示意图；
图2、为本发明实施时的一种流程示意图；
图3、为本发明实施例中超表面单元的输入功率分布示意图；
图4、为本发明实施例中四层方环透射单元结构示意图；
图5、为本发明实施例中四层方环透射单元的幅度和相位响应随单元尺寸变化的曲线示意图；
图6、为本发明实施例中超表面单元传输系数幅度分布示意图；
图7、为本发明实施例中超表面单元补偿相位分布示意图；
图8、为本发明实施例中四层方环透射单元的远场增益方向示意图；
图9、为本发明实施例中使用的接收天线的结构示意图；
图10、为本发明实施例中使用的接收天线的远场增益方向示意图；
图11、为本发明实施例中基于透射超表面的无线能量传输***示意图；
图12、为本发明实施例中多种方法下的无线射频功率传输效率评估随垂直距离变化曲线示意图；
图13(a)、为本发明实施例中的反射超表面单元结构示意图；
图13(b)、为本发明实施例中幅度与相位响应随单元枝节长度变化的曲线示意图；
图14、为本发明实施例中所分析的基于反射超表面的无线能量传输***示意图；
图15、为本发明实施例中多种方法下的无线射频功率传输效率评估随距离变化曲线示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明方法的目的在于提供一种用于评估电磁超表面的无线射频功率传输效率的数值计算方法，将输入馈源的馈电功率记作PF，将接收天线的接收功率记作PH，则表面到接收天线的传输效率的表达式为
Figure GDA0003993112550000071
本发明的原理在于将超表面单元视作独立的辐射单元，通过提取超表面单元上的幅度和相位响应，计算单个超表面单元辐射到接收天线的辐射电场，基于场的叠加原理与超表面单元辐射方向图的稳定性，再通过Poynting定理和电场的矢量求和计算出所求的无线能量传输效率。原理示意图如图1所示。
根据本发明的原理：
首先，根据传统的Friis公式写出第m个超表面单元到接收天线的接收功率为：
Figure GDA0003993112550000081
其中：λ是工作波长，
Figure GDA0003993112550000082
为第m个超表面单元的出射功率，
Figure GDA0003993112550000083
为第m个超表面单元到接收天线的接收功率，Rm为第m个超表面单元的几何中心到接收天线的相位中心距离，m＝1,2,…,M，M是超表面单元的总数。以第m个超表面单元的相位中心为原点建立直角坐标系；基于直角坐标系的空间单位向量
Figure GDA0003993112550000084
进而获取接收天线的坐标向量
Figure GDA0003993112550000085
θm是基于坐标向量
Figure GDA0003993112550000086
的俯仰角，
Figure GDA0003993112550000087
是基于坐标向量
Figure GDA0003993112550000088
的方位角。
Figure GDA0003993112550000089
是第m个超表面单元在
Figure GDA00039931125500000810
方向上的与接收天线联合极化状态下的实际增益，
Figure GDA00039931125500000811
是接收天线在
Figure GDA00039931125500000812
方向上的与第m个超表面单元联合极化状态下的实际增益。
其次，在本发明方法实施过程中，假设超表面单元是全向均匀辐射的，从而将第m个超表面单元到接收天线的辐射功率密度Wm表示为：
Figure GDA00039931125500000813
式中：
Figure GDA00039931125500000814
为第m个超表面单元到接收天线的接收功率。
然后，根据Poynting定理可以写出第m个超表面单元到接收天线的辐射电场Em：
Figure GDA00039931125500000815
式中：η表示自由空间波阻抗；βm是第m个超表面单元的辐射相位。
接下来，根据与单元尺寸l的关系，以及超表面单元尺寸和幅相响应的对应关系，提取超表面单元的幅度响应Sm(l)和相位响应
Figure GDA00039931125500000816
从而可以获得：
(I)出射功率
Figure GDA00039931125500000817
与入射功率
Figure GDA00039931125500000818
的关系为：
Figure GDA00039931125500000819
(II)辐射相位βm与幅度响应
Figure GDA00039931125500000820
的关系：
Figure GDA00039931125500000821
式中：k表示自由空间波数。
Figure GDA00039931125500000822
为第m个超表面单元到馈源天线的中心相位的距离。
最后，根据上面获得的数据，得到第m个超表面单元到接收天线的辐射电场的完整表达式如下：
Figure GDA0003993112550000091
再根据Poynting定理，利用电场赋值的平方求得功率密度，乘以球面积就求得辐射功率，在这个过程中将每个超表面单元的辐射电场进行矢量叠加，可以求得输入馈源的馈电功率的表达式，如下所示：
Figure GDA0003993112550000092
从而可得用于计算无线能量传输效率的计算式：
Figure GDA0003993112550000093
从公式(12)可知，本发明方法在实施时，需要获取数据包括：
(1)超表面的单元总数M；
(2)入射功率
Figure GDA0003993112550000094
(3)根据超表面上的单元尺寸分布、以及超表面单元尺寸和幅相响应的对应关系，提取超表面中单元的幅度响应Sm(l)、相位响应
Figure GDA0003993112550000095
(4)确定第m个超表面单元的几何中心到接收天线的相位中心距离Rm、第m个超表面单元到馈源天线的中心相位的距离
Figure GDA0003993112550000096
(5)以第m个超表面单元相位中心为原点建立直角坐标系，基于直角坐标系的空间单位向量
Figure GDA0003993112550000097
进而获取接收天线的坐标向量
Figure GDA0003993112550000098
基于坐标向量
Figure GDA0003993112550000099
的俯仰角θm、方位角
Figure GDA00039931125500000910
获取第m个超表面单元在
Figure GDA00039931125500000911
方向上的与接收天线联合极化状态下的实际增益
Figure GDA00039931125500000912
并获取接收天线在
Figure GDA00039931125500000913
方向上的与第m个超表面单元联合极化状态下的实际增益
Figure GDA0003993112550000101
在一个实施例中，基于透射超表面的无线能量传输***的中心工作频率为10GHz，其发射端是由透射超表面与馈源喇叭组成，超表面辐射出的波束是焦点位于(0.1,0,0.5)m的聚焦波束，采用10GHz的标准喇叭作为馈源。超表面是由18×18个超表面单元组成的，馈源喇叭与超表面的距离为150mm。
在这个实施例中，计算流程如图2所示。流程图的操作可以不按顺序实现。相反，操作可以以反转顺序或同时实现。此外，可以向流程图添加一个或多个其他操作。可以从流程图中移除一个或多个操作。
步骤1：计算超表面单元的入射功率。
根据馈源与超表面的相对位置关系，通过仿真，绘制一个216mm×216mm的观察面模拟超表面，提取馈源辐射到超表面上的电场分布
Figure GDA0003993112550000102
根据Poynting定理就利用下式，计算每一个超表面单元上的输入功率
Figure GDA0003993112550000103
Figure GDA0003993112550000104
式中：其中δ为超表面单元的面积。
本实施例中功率分布如图3所示，计算所用的超表面单元结构如图4所示，其面积为12mm×12mm。
步骤2：提取超表面单元的幅度响应、相位响应。
本实施例中采用的透射超表面单元是图4所示的四层方环透射超表面单元，单元工作于10GHz，外环边长a＝9mm，单元边长d＝12mm，每一层之间的距离H＝6mm，线宽Δs＝0.15mm，每一层介质的厚度t＝1mm，介质的介电常数为2.2。单元的相位和幅度响应随内环变长b变化的曲线如图5所示。根据所分析的超表面的单元尺寸分布，以及超表面单元尺寸和幅相(幅度与相位)响应的对应关系，绘制出相位响应βc(l)分布图和幅度响应|S(l)|分布图，分别如图6、图7所示。
步骤3：分别提取超表面单元和接收天线的三维远场增益方向图。
采用商业仿真软件的无限周期边界，得出超表面单元在阵中的远场增益方向图如图8所示。所分析的无线能量传输***中的接收天线的结构如图9所示，采用仿真或者暗室多探头测量的方式获取三位增益方向图如图10所示。
步骤4：确定接收天线和超表面之间的相对位置。
如图11所示是本实施例所分析的基于透射超表面的无线能量传输***的示意图。以超表面的中心为坐标原点，把接收天线的几何中心的位置用坐标表示。
步骤5：将准备好的数据代入所提出的传输效率评估公式(12)。
针对本实施例中所分析的基于透射超表面的无线能量传输***，将准备好的数据代入公式(12)中，就可以算出无线射频功率传输效率。
根据上述***各组成部分的结构参数，利用高频电磁仿真软件HFSS对本发明的所分析的基于透射超表面的无线能量传输***进行仿真，其仿真模型示意图如图11所示。在空间直角坐标系中，接收天线沿着轨迹(0.1,0,h)m，0.1m<h<5m运动，将接收天线的位置依次代入本发明提出的公式(12)计算无线射频传输效率。
下面利用传统的Friis公式和Gaubou公式的结果作为对比，仿真得到无线射频功率传输效率作为准确结果，对比验证本发明方法关于传输效率评估的正确性。
传统的Friis公式和Gaubou公式如下所示：
Friis公式：
Figure GDA0003993112550000111
Gaubou公式:
Figure GDA0003993112550000112
上两式中：Gt和Gr分别是发射天线和接收天线的远场增益方向图，At和Ar分别是发射天线和接收天线的有效口径，R是接收天线和发射天线之间的距离。
图12为随着将接收天线和超表面之间的垂直距离h增大，四种方法得到的效率评估结果射频功率传输效率的变化曲线示意图。从图12可以看出，本发明方法计算出来的结果与仿真的结果十分接近，尤其在h<5m的近场范围，本发明方法的计算结果比传统公式的计算结果更靠近仿真结果，准确性大大提升，本发明方法不仅能够准确记录发射波束的信息，而且准确计算出了焦点的位置。
在另一个实施例中，基于超表面的无线能量传输***的中心工作频率为2.45GHz，其发射端是由反射超表面与馈源喇叭构成，超表面辐射的波束是偏转角为2°的定向高增益波束。其中反射超表面单元选择“十字”交叉偶极子反射单元，其结构如图13(a)所示，单元的结构参数为：单元口径尺寸d＝55mm，介质厚度H＝3mm，枝节宽度W＝1mm，单元反射相位和幅度响应随枝节长度的变化曲线如图13(b)所示。所分析的反射超表面是由20×20个单元组成，馈源喇叭为2.45GHz的标准喇叭，与超表面之间的距离为0.7m。
具体实施步骤和所需参数与上一个实施例相同。
根据上述***各组成部分的结构参数，利用高频电磁仿真软件HFSS对本发明的所分析的基于透射超表面的无线能量传输***进行仿真，其仿真模型示意图如图14所示。在空间直角坐标系中，接收天线沿着(0,-rsin2°,rcos2°)，2≤r≤25m移动。将接收天线的位置依次代入本发明提出的公式计算无线射频传输效率。为了对比验证本发明的效率评估准确性，利用传统的Friis公式和Gaubou公式的结果作为对比，仿真得到无线射频功率传输效率作为准确结果，随着接收天线和超表面之间的垂直距离r增大，四种方法得到的效率评估结果射频功率传输效率的变化曲线如图15所示。
从图15可以看出，本发明计算出来的结果与仿真的结果十分接近，尤其在h<10m的近场范围，不仅如仿真结果的变化趋势相同，而且数值上也非常接近。与传统公式的计算结果相比，本发明的计算结果比更靠近仿真结果，准确性大大提升。
综上，本发明方法的计算原理是基于电场叠加原理，将超表面单元看作独立的辐射单元，独立计算辐射电场然后通过矢量叠加计算总的传输功率，进而提高了近场计算的准确性，并且因单个单元的口径小，远场范围广，克服了传统方法因超表面口径过大而难以评估近场传输效率的问题，本发明大大提高了无线能量传输***近场射频效率评估的准确性。。通过提取每一个超表面单元的相位和幅度响应来记录超表面的辐射波束形状，进而不论超表面所产生的传能波束为何种形式，均可以根据波束形状计算超表面辐射空间中任意一点的传输效率。在计算单元的辐射电场过程中，引入超表面单元的远场增益方向图，并通过高频电磁仿真软件HFSS中的无限周期边界在考虑单元耦合的情况下，模拟阵中单元的远场增益方向图，结合数值计算方法进行计算，相比纯仿真模拟评估其射频传输效率的方法，本方法具有高效快速，使用方便，占用计算资源小等优点。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本公开的计算方法可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过专用硬件包括专用集成电路、专用CPU、专用存储器、专用元器件等来实现。一般情况下，凡由计算机程序完成的功能都可以很容易地用相应的硬件来实现，而且，用来实现同一功能的具体硬件结构也可以是多种多样的，例如模拟电路、数字电路或专用电路等。但是，对本公开而言更多情况下，软件程序实现是更佳的实施方式。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (9)

1.一种评估电磁超表面的无线射频功率传输效率的计算方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
获取第m个超表面单元的几何中心到接收天线的相位中心距离Rm，m＝1,2,…,M，M是超表面单元的总数；
获取第m个超表面单元到接收天线的辐射电场Em；
基于所述距离Rm和Em，按下式计算接收天线的接收功率PH：
Figure FDA0003993112540000011
式中：η表示空间波阻抗；
获取输入馈源的馈电功率PF，利用
Figure FDA0003993112540000012
计算超表面到接收天线的传输效率；
其中，获取第m个超表面单元到接收天线的辐射电场Em，步骤包括：
首先，根据Friis公式写出第m个超表面单元到接收天线的接收功率为：
Figure FDA0003993112540000013
其中：λ是工作波长，
Figure FDA0003993112540000014
为第m个超表面单元的出射功率，
Figure FDA0003993112540000015
为第m个超表面单元到接收天线的接收功率，Rm为第m个超表面单元的几何中心到接收天线的相位中心距离，m＝1,2,…,M，M是超表面单元的总数；
以第m个超表面单元的相位中心为原点建立直角坐标系；
基于直角坐标系的空间单位向量
Figure FDA0003993112540000016
进而获取接收天线的坐标向量
Figure FDA0003993112540000017
θm是基于坐标向量
Figure FDA0003993112540000018
的俯仰角，
Figure FDA0003993112540000019
是基于坐标向量
Figure FDA00039931125400000110
的方位角；
Figure FDA00039931125400000111
是第m个超表面单元在
Figure FDA00039931125400000112
方向上的与接收天线联合极化状态下的实际增益，
Figure FDA00039931125400000113
是接收天线在
Figure FDA00039931125400000114
方向上的与第m个超表面单元联合极化状态下的实际增益；
其次，假设超表面单元是全向均匀辐射的，从而将第m个超表面单元到接收天线的辐射功率密度Wm表示为：
Figure FDA00039931125400000115
式中：
Figure FDA00039931125400000116
为第m个超表面单元到接收天线的接收功率；
然后，根据Poynting定理写出第m个超表面单元到接收天线的辐射电场Em：
Figure FDA0003993112540000021
式中：η表示自由空间波阻抗；βm是第m个超表面单元的辐射相位；
接下来，根据与单元尺寸l的关系，以及超表面单元尺寸和幅相响应的对应关系，提取超表面单元的幅度响应Sm(l)和相位响应
Figure FDA0003993112540000022
从而获得：
(I)出射功率
Figure FDA0003993112540000023
与入射功率
Figure FDA0003993112540000024
的关系为：
Figure FDA0003993112540000025
(II)辐射相位βm与幅度响应
Figure FDA0003993112540000026
的关系：
Figure FDA0003993112540000027
式中：k表示自由空间波数，
Figure FDA0003993112540000028
为第m个超表面单元到馈源天线的中心相位的距离；
最后，根据上面获得的数据，得到第m个超表面单元到接收天线的辐射电场的完整表达式如下：
Figure FDA0003993112540000029
再根据Poynting定理，利用电场赋值的平方求得功率密度，乘以球面积就求得辐射功率，在这个过程中将每个超表面单元的辐射电场进行矢量叠加，求得输入馈源的馈电功率的表达式，如下所示：
Figure FDA00039931125400000210
从而得到用于计算无线能量传输效率的计算式：
Figure FDA00039931125400000211
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述辐射电场通过下述步骤获取：
获取第m个超表面单元到接收天线的辐射功率密度Wm；
获取第m个超表面单元的辐射相位βm；
根据下式计算第m个超表面单元到接收天线的辐射电场Em:
Figure FDA0003993112540000031
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述辐射功率密度Wm通过下述步骤获取：
获取第m个超表面单元到接收天线的接收功率
Figure FDA0003993112540000032
通过下式计算获得辐射功率密度Wm：
Figure FDA0003993112540000033
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第m个超表面单元到接收天线的接收功率
Figure FDA0003993112540000034
通过下述步骤获取：
以第m个超表面单元的相位中心为原点建立直角坐标系；
基于直角坐标系的空间单位向量
Figure FDA0003993112540000035
进而获取接收天线的坐标向量
Figure FDA0003993112540000036
基于坐标向量
Figure FDA0003993112540000037
的俯仰角θm、方位角
Figure FDA0003993112540000038
获取第m个超表面单元在
Figure FDA0003993112540000039
方向上的与接收天线联合极化状态下的实际增益
Figure FDA00039931125400000310
并获取接收天线在
Figure FDA00039931125400000311
方向上的与第m个超表面单元联合极化状态下的实际增益
Figure FDA00039931125400000312
获取第m个超表面单元的出射功率
Figure FDA00039931125400000313
利用下式计算第m个超表面单元到接收天线的接收功率
Figure FDA00039931125400000314
Figure FDA00039931125400000315
式中：λ是工作波长。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述获取第m个超表面单元的出射功率
Figure FDA00039931125400000316
包括下述步骤：
获取第m个超表面单元的单元尺寸，进而获取幅度响应Sm(l)；
获取第m个超表面单元的入射功率
Figure FDA0003993112540000041
基于下式计算第m个超表面单元的出射功率
Figure FDA0003993112540000042
Figure FDA0003993112540000043
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述第m个超表面单元在
Figure FDA0003993112540000044
方向上的与接收天线联合极化状态下的实际增益
Figure FDA0003993112540000045
通过仿真获取；
所述接收天线在
Figure FDA0003993112540000046
方向上的与第m个超表面单元联合极化状态下的实际增益
Figure FDA0003993112540000047
通过仿真或者暗室多探头测量的方式获取。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第m个超表面单元的入射功率
Figure FDA0003993112540000048
通过下述步骤获取：
仿真获取馈源喇叭辐射到第m个超表面单元上的表面电场分布
Figure FDA0003993112540000049
按照下式计算第m个超表面单元上的入射功率
Figure FDA00039931125400000410
Figure FDA00039931125400000411
式中：其中δ为超表面单元的面积。
8.根据权利要求2-7任一所述的方法，其特征在于，所述获取第m个超表面单元的辐射相位βm，包括下述步骤：
获取第m个超表面单元的单元尺寸，继而获取相位响应
Figure FDA00039931125400000412
获取第m个超表面单元到馈源天线的相位中心的距离
Figure FDA00039931125400000413
根据下式计算第m个超表面单元的辐射相位βm：
Figure FDA00039931125400000414
式中：k表示自由空间波数。
9.一种评估电磁超表面的无线射频功率传输效率的计算装置，其特征在于，所述装置包括计算模块；
所述计算模块被配置用于实现下述操作：
计算超表面单元的入射功率
Figure FDA0003993112540000051
根据超表面上的单元尺寸分布以及超表面单元的尺寸和幅相响应之间的对应关系提取超表面中单元的幅度响应Sm(l)、相位响应
Figure FDA0003993112540000052
确定第m个超表面单元的相位中心到接收天线的相位中心距离Rm、第m个超表面单元到馈源天线的相位中心的距离
Figure FDA0003993112540000053
以第m个超表面单元相位中心为原点建立直角坐标系，基于直角坐标系的空间单位向量
Figure FDA0003993112540000054
进而获取接收天线的坐标向量
Figure FDA0003993112540000055
基于坐标向量
Figure FDA0003993112540000056
的俯仰角θm、方位角
Figure FDA0003993112540000057
获取第m个超表面单元在
Figure FDA0003993112540000058
方向上的与接收天线联合极化状态下的实际增益
Figure FDA0003993112540000059
并获取接收天线在
Figure FDA00039931125400000510
方向上的与第m个超表面单元联合极化状态下的实际增益
Figure FDA00039931125400000511
获取输入馈源的馈电功率PF；
将上述得到的数据代入下式进行计算，获取超表面到接收天线的传输效率
Figure FDA00039931125400000512
Figure FDA00039931125400000513
式中：k表示自由空间波数。
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