基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置，属于无线电磁能量传输领域。装置包括：变形半鱼眼透镜组由两个分离的第一变形半鱼眼透镜与第二变形半鱼眼透镜组成；射频发射端与变形半鱼眼透镜组的第一变形半鱼眼透镜的末端对应设置；射频接收端与变形半鱼眼透镜组的第二变形半鱼眼透镜的末端对应设置；第一变形半鱼眼透镜与第二变形半鱼眼透镜的前端相互间隔对应设置；射频发射端能通过变形半鱼眼透镜组的两个变形半鱼眼透镜与射频接收端无线耦合传输电磁能量。该系统工作在GHz频段，通过组成变形半鱼眼透镜组的各变形半鱼眼透镜在形状或折射率分布上的改变，能在传输过程中控制电磁波扩散前提下，提升无线电磁能量传输效率。线电磁能量传输效率。线电磁能量传输效率。

【技术实现步骤摘要】
基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置
[0001]本申请要求于2022年10月24日提交中国专利局、申请号为202211304797.5、专利技术名称为“基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。


[0002]本专利技术涉及无线电磁能量传输领域。具体而言，涉及一种基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置。

技术介绍

[0003]依据传输原理的不同，无线电磁能量传输装置可分为非辐射式和辐射式。
[0004]非辐射式无线电磁能量传输方式通过磁场或电场的变化来传能，相应地，构建线圈或电容极板的变形与组合方式来构建系统。该方式的优点在于，结构的制作较为简单，成本低廉，且在近距离下具有较高的能量传输效率，所以被广泛应用于便携式电子产品的无线充电中。该方式的缺点有三。其一，由于上述的场的行为本质上是源的行为，因此该方式的传输效率受制于发射与接收装置的尺寸。其二，较远距离下，场所携带的能量随距离增大快速衰减(r
‑4)。其三，系统的带宽往往很窄，加工误差会使得结构的谐振点偏离，从而降低能量传输效率。
[0005]2007年，Andr
é
Kurs等人在Science中发表了文章“通过强耦合磁共振实现无线能量传输”(参考文献为：Kurs,Andr
é
,et al."Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances."science 317.5834(2007):83
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86.)。他们通过细微地调节每个线圈的螺距，将四个线圈严格调节到相同的谐振频率，从而实现了高效的无线电磁能量传输。然而，这种尺寸上的严格调节是在实验室里反复测量完成的，一旦传输距离变化，整个调节过程也将重新进行。受制于装置极窄的带宽，装置本身的鲁棒性很低，仅能够在某个精确的频率和尺寸参数下达到理想的工作状态。
[0006]辐射式无线电磁能量传输方式通过电磁波传能。由于电磁波本身是脱离于源的存在，因此该方式的传输效率不再受制于发射与接收装置的尺寸。此外，理论上该方式传输效率随距离增大的衰减程度(r
‑2)小于非辐射式无线电磁能量传输方式。在拥有以上两点优势的情况下，该方式之所以未被得到广泛应用，是出于以下两点原因。其一，虽然该方式传输效率的衰减程度低于非辐射式无线电磁能量传输方式，但出于电磁波在传播过程中的扩散，其衰减仍然较为严重。其二，系统中的换能器件效率很低。因此，在近距离下，受制于换能器件带来的效率损失，最终能量传输效率不及非辐射式无线电磁能量传输方式；而随着距离的增大，其优势才开始显现，但是仍会面临传输过程中电磁波的扩散问题。此外，对于频率而言，这两点原因是相互牵制的。增大频率可以减小电磁波在传播过程中的扩散，但也使得换能器件的效率更低，反之亦然。
[0007]针对传输过程中电磁波的扩散问题，国内外的研究者们考虑借鉴麦克斯韦鱼眼透镜，在发射端放置半鱼眼透镜，希望能够实现出射面电磁波的平行出射。
[0008]然而，其中绝大部分工作都只关注到如何严格地构建半鱼眼透镜，并单纯地将其当作发射天线的一部分进行了实验测定。比如Hui Feng Ma等人在IEEE的Transactions on Antennas&Propagation中发表的论文“三维梯度折射率材料及其在微波透镜天线中的应用”(Hui Feng Ma,Ben Geng Cai,Teng Xiang Zhang,Yan Yang,Wei Xiang Jiang,and Tie Jun Cui.“Three
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Dimensional Gradient
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Index Materials andTheir Applications in Microwave Lens Antennas”IEEE Trans.Antennas Propag.vol.61,no.5,pp.2561
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2569,May 2013.)。他们并未以此构建无线电磁能量传输装置，更未在无线电磁能量传输装置的层面上优化透镜形状和折射率分布，以实现最大传输效率。
[0009]有少数学者讨论了半鱼眼透镜的变换形式，比如Junhyun Kim等人在Applied Physics Letters中发表的论文“通过智能变换光学实现低介电常数介质材料的元透镜设计”(Junhyun Kim,Dongheok Shin,Seungjae Choi,Do
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SikYoo,llsungSeo,and Kyoungsik Kim.“Meta
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lens design with low permittivity dielectric materials through smart transformation optics”Appl.Phys.Lett.107,101906(2015).)，但其变换只是基于经验进行，单纯基于点源仿真，在面对实际的无线电磁能量传输装置时不再适用。
[0010]在更高的频段上，Daniel Headland等人在Optics Express中发表了文章“用于太赫兹光学集成的光子晶体波导半麦克斯韦鱼眼透镜”(Daniel Headland,Masayuki Fujita,and TadaoNagatsuma.“Half
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Maxwell fisheye lens with photonic crystal waveguide for the integration of terahertz optics”Optics Express.vol.28,no.2/20January 2020.)，基于介质孔耦合结构，在THz频段制作了薄片半鱼眼透镜，并将其对称地应用于发射端和接收端。但他们制作的半鱼眼透镜是二维薄片，只在二维平面具有汇聚效果，且研究频段为THz频段，收发端需要严格对齐。
[0011]上述文献表明，针对辐射式无线电磁能量传输过程中因电磁波扩散带来传输效率降低的问题，目前的研究止步于在THz频段添加标准的二维半麦克斯韦鱼眼透镜。由于标准半麦克斯韦鱼眼透镜的中心介电常数较大，对透镜加工工艺与材料选择提出了极高的要求。且THz频段本身频率较高，通过牺牲换能器件带来的效率降低，侧面回避了传输过程中因电磁波扩散带来传输效率降低的问题；另外现有的半鱼眼透镜加工难度较大，加工成本较高。
[0012]目前尚没有在GHz频段，能利用半鱼眼透镜控制传输过程中电磁波扩散的前提下，实现高效的无线电磁能量传输的解决方案。
[0013]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0014]本专利技术的目的是提供了一种基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置，在控制传输过程中电磁波扩散的前提下，能在GHz频段实现高效的无线电磁能量传输，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置，其特征在于，包括：射频发射端、变形半鱼眼透镜组和射频接收端；其中，所述变形半鱼眼透镜组由两个分离的第一变形半鱼眼透镜与第二变形半鱼眼透镜组成，所述第一变形半鱼眼透镜与第二变形半鱼眼透镜均为两面凸的几何构型；所述射频发射端与所述变形半鱼眼透镜组的第一变形半鱼眼透镜的末端对应设置；所述射频接收端与所述变形半鱼眼透镜组的第二变形半鱼眼透镜的末端对应设置；所述第一变形半鱼眼透镜与第二变形半鱼眼透镜的前端相互间隔对应设置；所述射频发射端能通过所述变形半鱼眼透镜组的两个变形半鱼眼透镜与所述射频接收端无线耦合传输电磁能量。2.根据权利要求1所述的基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置，其特征在于，所述第一变形半鱼眼透镜与第二变形半鱼眼透镜的折射率分布n均满足以下关系式：n＝n(t)，其中，n表示折射率；t表示坐标变换的中间变量；x表示x轴方向坐标；y表示y轴方向坐标；z表示z轴方向坐标；a表示变形半鱼眼透镜在x轴方向的半轴长；b表示变形半鱼眼透镜在y轴方向的半轴长；c表示变形半鱼眼透镜在z轴方向的半轴长。3.根据权利要求1或2所述的基于变形半鱼眼透镜的无线电磁能量传输装置，其特征在于，所述第一变形半鱼眼透镜和第二变形半鱼眼透镜均由N层不同折射率介质构成，N为大于2且小于100的整数，每层介质均采用射频频段的非导体介质，每层介质的损耗角正切小于0.02；...

【专利技术属性】
技术研发人员：章舒，娄雨禛，周恒逸，
申请(专利权)人：安徽省中微科技术有限公司，
类型：发明
国别省市：