基于微波无线能量传输多径效应的多角度超表面能量收集器.pdf

2 0 2 4年1期 4 1 2 0 2 4年第4 6卷第1期基于微波无线能量传输多径效应的多角度超表面能量收集器牧 仁作者简介:牧仁(1 9 7 5-),本科,工程师,研究方向为微波无线电、微波传输。(内蒙古阿拉善盟广播电视传输发射中心台 内蒙古 阿拉善7 5 0 3 0 0)摘 要 文中深入研究了基于微波无线能量传输技术的多径效应及其对多角度超表面能量收集器的性能的影响。首先,概述了微波无线能量传输技术的基本原理与发展现状,随后详细讨论了超表面结构在多角度能量接收中的应用。通过理论分析与仿真实验,文中提出了一种优化的超表面设计方案,以提高能量收集效率。实验结果显示,该方案能显著提高多角度超表面能量收集器在复杂传播环境下的能量收集性能,不仅为超表面能量收集器的设计提供了新的视角,也为未来无线能量传输技术的发展提供了理论参考。关键词:微波无线能量传输;多径效应;超表面;能量收集;仿真实验中图分类号 TM 7 2 4.1M u l t iA n g l eM e t a s u r f a c eE n e r g yC o l l e c t o rB a s e do nM i c r o w a v eW i r e l e s sE n e r g yT r a n s m i s s i o nM u l t i p a t hE f f e c tMUR e n(I n n e rM o n g o l i aA l x aL e a g u eR a d i oa n dT e l e v i s i o nT r a n s m i s s i o na n dT r a n s m i s s i o nC e n t e rS t a t i o n,A l x a,I n n e rM o n g o l i a7 5 0 3 0 0,C h i n a)A b s t r a c t T h em u l t i p a t he f f e c tb a s e do nm i c r o w a v ew i r e l e s se n e r g yt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya n d i t s i n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m-a n c e o fm u l t i-a n g l em e t a s u r f a c e e n e r g yh a r v e s t e r a r e d e e p l y s t u d i e d i n t h i s p a p e r.F i r s t,t h e b a s i c p r i n c i p l e a n dd e v e l o p m e n t s t a t u so fm i c r o w a v ew i r e l e s s e n e r g y t r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y a r e s u mm a r i z e d,a n d t h e n t h e a p p l i c a t i o no fm e t a s u r f a c e s t r u c t u r e i nm u l t i-a n g l ee n e r g yr e c e p t i o n i sd i s c u s s e d i nd e t a i l.T h r o u g ht h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s,a no p t i m i z e dm e t a s u r f a c ed e s i g ns c h e m e i s p r o p o s e d t o i m p r o v e t h e e n e r g y c o l l e c t i o ne f f i c i e n c y.T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o wt h a t t h i s s c h e m e c a n s i g n i f i-c a n t l y i m p r o v e t h ee n e r g yc o l l e c t i o np e r f o r m a n c eo fm u l t i-a n g l em e t a s u r f a c ee n e r g yh a r v e s t e r s i nc o m p l e xp r o p a g a t i o ne n v i r o n-m e n t s,w h i c hn o t o n l yp r o v i d e s an e wp e r s p e c t i v e f o r t h ed e s i g no fm e t a s u r f a c e e n e r g yh a r v e s t e r s,b u t a l s op r o v i d e s a t h e o r e t i c a lr e f e r e n c e f o r t h ed e v e l o p m e n t o f f u t u r ew i r e l e s s e n e r g y t r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g i e s.K e y w o r d s M i c r o w a v ew i r e l e s se n e r g yt r a n s m i s s i o n,M u l t i p a t he f f e c t s,H y p e r s u r f a c e,E n e r g yh a r v e s t i n g,S i m u l a t i o ne x-p e r i m e n t s0 引言随着无线通信技术的快速发展,无线能量传输(WP T)技术逐渐成为研究热点。特别是在微波频段,由于其具有传输距离远、效率高等优点,微波无线能量传输技术在多个领域中展现出广阔的应用前景。然而,传统的能量传输方法在复杂多变的传播环境中容易受到多径效应的影响,降低其效率和稳定性。近年来,超表面技术作为一种突破性的材料技术,因其能精确控制电磁波的传播特性而受到广泛关注。本文围绕微波无线能量传输中的多径效应问题,研究了基于多角度超表面的能量收集器的设计,旨在提高能量传输的效率和稳定性。通过理论分析、仿真实验及实际测试,本文展示了超表面能量收集器在应对多径效应方面的优势,探讨了其在无线能量传输领域中的应用前景。1 研究背景与意义在现代通信技术领域,微波无线能量传输技术(WP T)显露出独特的魅力和潜力。该技术不仅挑战了传统的能源利用方式,也为未来无线电源的供应开辟了新的可能。特别是在遥远地区或灾害现场,微波无线能量传输可以提供一种高效的能量供应解决方案。随着技术的进步和应用领域的扩展,微波无线能量传输已成为当代科技创新的重要组成部分。1.1 微波无线能量传输技术的发展自微波无线能量传输技术经历了从理论探索到实际应用的转变。早期阶段,研究主要集中在理解、改善微波的传输效率和安全性方面。随着材料科学和电子工程的发展,微波无线能量传输技术在实验室环境中取得了显著进展。4 2 2 0 2 4年1期现代科研更多地关注实际应用场景,如无线电源供应、无人机充电、紧急救援中的能量供应等,这些应用推动了微波无线能量传输技术的快速发展和广泛应用。1.2 多径效应及其影响多径效应是微波无线能量传输中的一个重要问题。在微波传输过程中,由于电磁波在遇到障碍物时会发生反射、折射或散射,导致能量传输路径多样化。尽管这一现象有时能扩大信号覆盖范围,但它更会导致能量分散和传输效率下降。解决多径效应的关键在于对传播路径的精确控制和优化,以确保能量被有效地传输至目标位置。因此,理解和克服多径效应,对提高微波无线能量传输的效率至关重要。在微波无线能量传输技术发展的早期,研究重点集中在提高传输效率、确保传输过程的安全性等方面。随着技术的进步,研究逐渐转向探索如何在不同的实际应用环境中实现有效的能量传输。例如,微波能量传输在远距离无线供电、远程控制系统、无人机技术中的应用,极大地拓展了其应用范围。这些应用的发展不仅对微波传输技术提出了新的挑战,也为该技术的进一步创新提供了动力。1.3 超表面能量收集器的优势与应用作为一种新兴的技术,超表面能量收集器能有效应对微波无线能量传输中的多径效应。其通过特殊的设计,能精确控制电磁波的传播路径,从而优化能量的传输和接收。该技术的应用极大地提高了微波能量传输的效率和稳定性。在实际应用中,超表面能量收集器已被应用于多个领域,如无线充电、通信信号增强和能量捕获系统,显示出了广泛的应用前景和巨大的市场潜力。通过进一步研究和优化,超表面能量收集器有望成为未来无线能量传输领域的关键技术1。2 理论分析与设计在微波无线能量传输领域,理论分析与设计共同构成了实现高效能量收集的核心。通过深入的理论研究和精确的设计优化,可以显著提高能量传输的效率和可靠性2。2.1 超表面结构与工作原理超表面是一种二维人造结构,具有特殊的电磁特性,能精确地调控入射波,其工作依赖于电磁波与之互动时产生的相位变化。通过对微观结构的精心设计,超表面实现了对电磁波的散射、聚焦、折射等的主动控制。在无线能量传输领域,超表面的优化设计能有效减少能量散失,提升传输效率。由于其设计的灵活性,超表面在各种应用场景中表现出广泛的适用性和较强的灵活性。超表面能量收集器是基于超表面技术的一种创新应用,特别是在微波无线能量传输领域。该技术通过在超表面上设计特定的微观结构,能高效地收集和转换微波能量。这些微观结构包括特定的开口、槽或其他几何形状的结构,这使超表面能捕获特定频率的微波,并将其转换为电能。在实际应用中,超表面能量收集器可以作为无线传感器、移动设备和其他电子设备的电源,为它们提供稳定和持续的能量供应。超表面的设计需要考虑多个因素,包括入射波的频率、极化和角度。通过优化这些参数,可以使超表面结构在特定的条件下实现最大的能量收集效率。例如,通过调整超表面上的微观结构的大小和形状,可以使其对特定频率的微波有更高的吸收率。同时,考虑到微波信号在实际环境中可能会有多个入射角度,超表面的设计也应在广泛的角度范围内有效工作3。2.2 多角度能量接收理论多角度能量接收是超表面技术中的一项重要创新,它突破了传统能量收集技术仅限于特定接收角度的局限。该理论的核心在于通过精密的计算和设计,使超表面能在不同角度下接收并转换最多的电磁能量。为实现这一目标,需要深入理解电磁波的传播规律和超表面结构的相互作用机制,并据此调整设计,以优化能量收集效率。多角度能量接收理论的实现,依赖于对超表面结构的详细设计和优化。超表面的微观结构(如特定的开口、槽或其他几何形状)必须精确设计,以确保能有效捕获和转换来自不同方向的电磁波。这些结构的设计需考虑电磁波的频率、极化和角度,以在多个方向上实现高效的能量收集。在设计超表面结构时,还需考虑实际应用环境中的多径效应,即电磁波在传播过程中可能会遇到各种物体,并产生反射、折射或绕射现象,这些因素都会影响超表面结构的能量收集性能。此外,多角度能量接收理论还需考虑对制造材料的选择。常用材料如金属、介质、半导体等,对超表面结构的性能和效率有着关键作用。这些材料的选择和组合不仅会影响超表面对电磁波的捕获能力,也会影响其能量转换效率和耐久性。例如,金属材料可用于构造能高效捕获电磁波的微观结构,而介质材料则可提供支撑,并影响电磁特性。2.3 仿真模型与参数优化仿真模型在超表面能量收集器的设计中起着至关重要的作用。通过建立准确的电磁仿真模型,研究者能在实验前对超表面结构如何影响电磁波进行预测和分析。这一过程涉及对材料参数、几何结构、电磁波等的相互作用的细致分析。参数优化是实现高效能量收集的关键,需要基于仿真结果对超表面的设计进行细致调整,包括单元尺寸、形状、排列方式等的优化,以确保在实际应用中达到最佳的能量收集效果4。通过这些方法,研究人员能在理论与实践之间架起桥梁,推动超表面能量收集技术的发展。在超表面能量收集器的设计和优化过程中,仿真模型有着决定性作用。这些模型能模拟电磁波在复杂环境中的传播行为,包括反射、折射、绕射等。通过精确模拟这些现象,研究者可以更好地理解超表面结构对电磁波的影响,从而优化其设计,提高能量收集效率。例如,可以通过调整超表面单元的尺寸和形状来改善其对特定频率的电磁波的吸移动信息2 0 2 4年1期 4 3 收率,或通过改变排列方式来适应不同的入射角度。参数优化是改善仿真模型的重要一步。通过调整超表面结构的各种参数,如材料的电磁属性、单元的几何尺寸以及它们的排列方式,研究者能找到最佳的设计配置,以实现最高的能量收集效率。这一过程往往涉及大量的计算和试验,以确保解决方案能在实际应用中发挥作用。3 实验研究与结果分析在理论研究的基础上,通过实验研究和结果分析,可以对超表面能量收集器的性能进行更直观和精确的评估。实验设计的合理性和结果分析的深度对验证理论模型的正确性、指导实际应用等具有重要意义。3.1 实验设计与方法实验设计的核心在于构建一个能准确反映理论预测的实验环境。实验的首要步骤是制备超表面样品,确保其几何参数与理论设计相符。在实验中,需设置一系列不同的测试条件,如不同的入射角度、频率、功率等,以全面评估超表面能量收集器的性能。同时,可采用精确的测量仪器记录数据,确保实验结果的可靠性和重复性。此外,实验的设计还需考虑环境因素的影响,如温度、湿度等,以保证实验结果的普适性和实用性5。在制备超表面样品时,研究团队可采用先进的制造技术和材料,确保超表面结构的精度和一致性。这些样品的制备不仅需要关注微观结构的准确性,还需详细分析材料的特性,如电磁特性、耐久性、环境稳定性等。此外,为模拟真实的应用环境,实验中设定了一系列不同的测试条件,这些条件模拟了超表面能量收集器在实际使用中可能遇到的各种情况。使用精确的测量仪器,如矢量网络分析仪和功率计,是确保实验数据可靠性的关键。这些仪器能提供详细的性能参数,如反射率、传输率、功率损耗等,使研究团队能深入分析超表面能量收集器的性能。实验中还需考虑环境因素对实验结果的影响,如温度和湿度的变化可能会影响材料特性和电磁波传播。在设计实验时,需充分考虑这些因素,以确保结果的准确性和实用性。3.2 对能量收集效率的测试对能量收集效率的测试是评估超表面能量收集器性能的关键指标。在测试过程中,应重点关注超表面能量收集器在不同条件下的能量吸收和转换效率。通过在不同频率和不同入射角度下比较能量收集效率,可以深入理解超表面结构对能量传输的影响。此外,还需考察超表面能量收集器对多径效应的响应,以评估其在复杂传播环境中的性能。这些测试结果不仅可以为超表面能量收集器的优化提供重要的数据支持,也为其未来的应用提供了实验依据。实验设计与方法应着重确保样品的准确制备,并在多种测试条件下评估其性能,同时考虑环境因素对实验结果的影响。对能量收集效率的测试则侧重于评估超表面能量收集器在不同条件下的能量吸收、转换效率以及对多径效应的响应,从而为超表面能量收集器的优化和应用提供关键的实验数据。3.3 结果分析与讨论在实验结果的基础上,还需进行深入的数据分析和讨论。数据分析需要关注超表面能量收集器在不同条件下的性能变化趋势和特点。通过与理论预测的对比,可以验证理论模型的准确性和实用性。讨论部分则深入探讨实验结果背后的物理机制,分析超表面结构设计对性能的影响以及可能的改进方向。此外,还需考虑实验中可能出现的误差来源和限制性因素,为未来的研究提供参考。通过全面的结果分析和深入的讨论,可以为超表面能量收集技术的发展提供坚实的科学基础。在结果分析阶段,研究团队对超表面能量收集器的性能数据进行了详细评估,考察了不同频率、入射角度、环境条件下的能量收集效率。在具体分析中,重点关注了超表面结构对电磁波的吸收和转换效率的影响,并探讨了这些因素在不同的操作条件下的变化。此外,通过对比实验数据和仿真模型的结果,研究团队能评估模型的准确性,从而优化超表面设计。本文深入探讨了超表面能量收集器性能背后的物理原理和设计要素,分析了超表面结构的微观几何形状、材料选择以及排列方式如何影响能量收集效率。此外,还探讨了如何通过调整这些因素来优化超表面能量收集器的设计,以应对不同的环境挑战和应用需求。4 结语本文对基于微波无线能量传输的多角度超表面能量收集器进行了深入探讨。研究表明,通过优化超表面的结构,可有效应对多径效应,提高微波能量的传输和收集效率。实验结果验证了理论模型的准确性,显示了超表面能量收集器在不同条件下的优异性能。此外,还指出了当前技术存在的局限性和未来改进的方向。总体而言,超表面能量收集器在微波无线能量传输领域有巨大的应用潜力,对推动无线能量传输技术的发展十分重要。未来的研究可进一步探索超表面结构的优化设计,以提高能量收集效率,扩大其应用范围。参考文献1冯强,林屹峰,单明明,等.基于编码电磁超表面的B e s s e l波束设计J.电波科学学报,2 0 2 1,3 6(6):8 6 7-8 7 8.2余钒.电磁能量收集超表面研究D.上海:上海大学,2 0 2 0.3杨雪霞.微波输能技术概述与整流天线研究新进展J.电波科学学报,2 0 1 9,2 4(4):7 7 0-7 7 9.4周宇昌.日本空间微波无线能量传输技术概述J.空间电子技术,2 0 1 9,1 4(5):5 2-5 8.5杨雪霞.整流天线研究进展及设计方法概述J.南京信息工程大学学报,2 0 1 9(1):1 5-2 4.移动信息