超材料单元、电磁聚焦放大透镜及其制备方法与流程

本发明属于微波无线能量传输技术领域，具体涉及一种超材料单元、电磁聚焦放大透镜及其制备方法。

背景技术：

微波无线能量传输技术是以微波为能量载体，通过发射天线和接收天线以及附属电路系统实现远距离能量传输，是一种能源危机的解决方式。与电磁感应、磁共振式等无线能量传输技术相比，微波无线能量传输技术能在较远的距离上实现能量传输，并且其方向性较好。

在微波无线能量传输系统中，最为关键的部分就是整流天线部分，整流天线用于接收能量并将其转换为易于储存的直流电能，整个微波无线能量传输系统的整体效率基本由整流天线的性能决定。因为微带整流天线体积小、易集成度高、易成阵等优点，通常使用微带整流天线作为整流天线的接收天线，但是微带整流天线的增益普遍较低，因此其工作效率并不高。

放大透镜结构可以有效地提升天线的增益，并且能够加强微波能量的方向性，在微带整流天线部分添加某些透镜系统，则可以进一步提升其效率与传输距离。目前常用的放大透镜结构为龙伯透镜、平板介质透镜和超材料透镜等。超材料透镜相比其他透镜结构具有体积小、易集成和易成阵的优点，并且可以直接通过印刷电路板的工艺进行批量生产，具有难以替代的优势。超材料是指一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料，而且这些性质主要来自人工的特殊结构。

但是，目前的超材料透镜多用于天线罩或谐振式无线能量传输系统，并未将其用于微带整流天线部分，因此本发明设计了一种超材料单元、电磁聚焦放大透镜及其制备方法。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种超材料单元、电磁聚焦放大透镜及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种用于电磁聚焦放大透镜的超材料单元，包括介质基板和谐振环结构，所述谐振环结构包括位于所述介质基板第一侧的双开口衍生谐振环和位于所述介质基板第二侧的微带线，其中，

所述双开口衍生谐振环呈形，包括相互对称的第一部分和第二部分；

所述微带线在所述双开口衍生谐振环上的投影同时穿过所述第一部分和所述第二部分的开口处，且平行于所述介质基的一侧边。

在本发明的一个实施例中，所述第一部分的开口处和所述第二部分的开口处分别设置有左右对称的第一回折部和第二回折部；

所述第一部分和所述第二部分的与所述开口相对的侧壁上分别设置有凹进部；

在本发明的一个实施例中，所述超材料单元的边长≤λ/4，其中，λ为期望电磁波的波长。

在本发明的一个实施例中，所述双开口衍生谐振环和所述微带线均又铜线制成，所述铜线宽度为0.5mm。

本发明提供了一种电磁聚焦放大透镜，包括在空间呈扇形分布的多个超材料阵列结构，其中，

所述超材料阵列结构包括多个以上实施例中任一项所述的超材料单元，多个所述超材料单元排列成方形阵列。

在本发明的一个实施例中，相邻所述超材料阵列结构之间的空间夹角相等。

本发明提供了一种电磁聚焦放大透镜的制备方法，包括：

根据期望电磁波的频率和预选的基础谐振环，得到超材料仿真单元；

根据所述超材料仿真单元，得到超材料仿真阵列；

根据所述超材料仿真阵列，制备所述电磁聚焦放大透镜。

在本发明的一个实施例中，所述根据期望电磁波的频率和预选的基础谐振环，得到超材料仿真单元，包括：

选择所述基础谐振环作为所述超材料仿真单元的初始谐振环结构；

对所述基础谐振环的参数进行调整优化，得到双开口衍生谐振环

根据所述双开口衍生谐振环，构成所述超材料仿真单元。

在本发明的一个实施例中，根据所述超材料仿真单元，得到超材料仿真阵列，包括：

将所述超材料仿真单元进行阵列排布，得到初始仿真阵列；

调整所述初始仿真阵列中所述超材料仿真单元之间的距离，直至所述初始仿真阵列具有负的等效介电常数和负的等效磁导率，获取所述超材料仿真阵列。

在本发明的一个实施例中，根据所述超材料仿真阵列，制备所述电磁聚焦放大透镜，包括：

根据所述超材料仿真阵列，在选定的介质基板上制备得到超材料阵列结构；

将若干所述超材料阵列结构在空间排列，形成所述电磁聚焦放大透镜。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的电磁聚焦放大透镜可以使微带整流天线前方的电磁能量密度得到显著的提升，提高微带整流天线系统的工作效率；

2、本发明的电磁聚焦放大透镜采用现有常规印刷电路板制造工艺就能够实现，成本较低；

3、本发明的电磁透镜与微带镇流天线的连接方式可以采用简单灵活的机械旋转结构连接方式，从而可以实现控制无线能量传输方向的功能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种超材料单元的上表面示意图；

图2是本发明实施例提供的一种超材料单元的下表面示意图；

图3是本发明实施例提供的一种超材料单元的侧面示意图；

图4是本发明实施例提供的一种电磁聚焦放大透镜的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种超材料阵列结构的示意图；

图6是微带整流天线在不采用本发明实施例的电磁聚焦放大透镜的情况下在传输距离60cm处的空间能流密度分布图；

图7是微带整流天线在采用本发明实施例的电磁聚焦放大透镜的情况下在传输距离60cm处的空间能流密度分布图；

图8是本发明实施例提供的一种电磁聚焦放大透镜的制备方法流程图；

图9是本发明实施例提供的一种基础谐振环的示意图；

图10是本发明实施例提供的一种增加凹进部的第二谐振环的示意图；

图11是本发明实施例提供的一种增加第一回折部的第三谐振环的示意图；

图12是本发明实施例提供的一种增加第二回折部的第四谐振环的示意图。

附图标记说明

1-超材料单元；11-介质基板；12-双开口衍生谐振环；121-第一部分；122-第二部分；123-双回折线结构；1231-第一回折部；1232-第二回折部；124-凹进部；13-微带线；2-超材料阵列结构；21-第一超材料阵列结构；22-第二超材料阵列结构；23-第三超材料阵列结构；3-微带整流天线。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种用于微带整流天线的电磁聚焦放大透镜及其构建方法进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

请参见图1至图3，如图所示，本实施例的用于电磁聚焦放大透镜的超材料单元1，包括介质基板11和谐振环结构，所述谐振环结构包括位于介质基板11第一侧的双开口衍生谐振环12和位于介质基板11第二侧的微带线13，超材料是指一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料，而且这些性质主要来自人工的特殊结构。

具体地，请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种超材料单元的上表面示意图，如图所示，双开口衍生谐振环12呈形，包括相互对称的第一部分121和第二部分122；第一部分121的开口处和第二部分122的开口处分别设置有左右对称的第一回折部1231和第二回折部1232，组成双回折线结构123；第一部分121和第二部分122的与所述开口相对的侧壁上分别设置有凹进部124。在本实施例中，双开口衍生谐振环12的尺寸b为9mm，第一部分121和第二部分122之间的间距d为0.5mm，双开口衍生谐振环12由铜线制成，铜线宽度e为0.5mm，双开口衍生谐振环12的开口宽度f为2mm，第一回折部1231的长度j为2mm，第二回折部1232的长度k为1.5mm，凹进部124的宽度g为3mm，深度i为1mm。

请参见2，图2是本发明实施例提供的一种超材料单元的下表面示意图，如图所示，微带线13在双开口衍生谐振环12上的投影同时穿过第一部分121和第二部分122的开口处，且平行于介质基板11的一侧边，所述投影与凹进部124的凹侧壁相互垂直，且垂足位于凹进部124的凹侧壁的中点处。在本实施例中，微带线13由铜线制成，铜线宽度e为0.5mm。

请参见3，图3是本发明实施例提供的一种超材料单元的侧面示意图，如图所示，在本实施例中，介质基板11为环氧树脂板，材料等级为fr-4，它具有较高的机械性能和介电性能，较好的耐热性和耐潮性并有良好的机械加工性，其相对介电常数为4.3，损耗角正切为0.025。介质基板11的厚度h为3mm，因为介质基板11的厚度太厚其损耗较高，厚度太薄增加加工难度，综合考虑损耗性能和加工工艺难度，折中的最优选择为3mm。

进一步地，超材料单元1的边长≤λ/4，其中，λ为期望电磁波的波长，因为当超材料单元1的尺寸比所述期望电磁波的波长小得多时，可以认为感应电荷近似均匀地分布在超材料单元1周围空间，可以用等效介电常数来描述其电磁特征。在本实施例中，所述期望电磁波的频率是2.45ghz，其波长为c/f，其中c为真空中的光速，f为电磁波的频率，超材料单元1的边长a为10mm。

本实施例的超材料单元1在2.45ghz具有负的等效介电常数和负的等效磁导率，可以应用于工作频率点在2.45ghz的微带整流天线系统，使得具有2.45ghz的电磁波能量能在超材料单元1中传播并聚焦，若采用其他结构，将影响超材料单元1的等效介电常数和等效磁导率，进而影响本实施例超材料单元1的性能。2.4ghz频率是现有的无线电磁信号波段中，应用成熟广泛且能量衰减较低的频率波段。

请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种电磁聚焦放大透镜的结构示意图，如图所示，本实施例的电磁聚焦放大透镜包括在空间呈扇形分布的多个超材料阵列结构2，其中，超材料阵列结构2包括以上实施例中任一项的超材料单元1，多个超材料单元1排列成方形阵列，所述方形阵列，是指n(n>2)个超材料单元1按照一定的行数、列数以及相邻超材料单元1之间的间距组成l*m的阵列，其中，l、m为任意整数，l*m＝n。进一步地，相邻超材料阵列结构2之间的空间夹角相等。

在本实施例的电磁聚焦放大透镜中，包括三个超材料阵列结构2，分别为第一超材料阵列结构21、第二超材料阵列结构22和第三超材料阵列结构23。三个超材料阵列结构2呈扇形排列在微带整流天线3的前方，以第二超材料阵列结构22的位置为基准，第一超材料阵列结构21和第三超材料阵列结构23与第二超材料阵列结构22的空间夹角均为30°，微带整流天线3的工作频率为2.45ghz。请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种超材料阵列结构的示意图，如图所示，在本实施中，超材料阵列结构2由5*5个超材料单元1排列成方形阵列，相邻两个双开口衍生谐振环12的间距为1mm。值得注意的是，超材料阵列结构2可以由多个超材料单元1以方形阵列形式构成，组成所述电磁聚焦放大透镜的超材料阵列结构2的个数可以为≥1的整数，当超材料阵列结构2的个数大于1时，可以在微带整流天线3的前方呈一排扇形结构排列，也可以根据实际情况呈多排扇形结构排列，所述扇形结构的角度范围可以是以微带整流天线3为中心的-90°～90°之间。

本实施例的电磁聚焦放大透镜安装在微带整流天线3的前方，使得微带整流天线3前方的电磁能量密度得到显著的提升，从而提高微带整流天线系统的工作效率。

请参见图6和图7，图6和图7分别是微带整流天线在不采用本发明实施例的电磁聚焦放大透镜的情况下与在采用本发明实施例的电磁聚焦放大透镜的情况下在传输距离60cm处的空间能流密度分布图。如图6所示，在未采用本实施例的电磁聚焦放大透镜时，电磁能量在空间中传播呈现自由发散的情况，其衰减较大，到达微带整流天线3处的平均能流密度为1.12v·a/m²，能流密度是指在一定空间范围内，单位面积所能取得的或单位重量能源所能产生的某种能源的能量或功率，是评价能源的主要指标之一，在电磁学中，能流密度指一定单位时间内通过与传播方向垂直的单位面积的能量。如图7所示，将三个超材料阵列结构2组成的本实施例的电磁聚焦放大透镜置于微带整流天线3的前方，在采用本实施例的电磁聚焦放大透镜时，电磁能量在所述电磁聚焦放大透镜后方出现了聚焦现象，这使得本来较为发散的电磁波出现了汇聚，微带整流天线3处的能流密度的平均值为3.4v·a/m²。可以看出，在采用本实施例的电磁聚焦放大透镜后，由于超材料阵列结构2的良好的电磁聚焦特性，使得微带整流天线3处的电磁能流密度由未采用本实施例的电磁聚焦放大透镜时的1.12v·a/m²提升至采用本实施例的电磁聚焦放大透镜后的3.4v·a/m²，实现了三倍左右的提升，使得微带整流天线系统的工作效率有了显著的提高。

值得说明的是，本实施例只采用了5*5的超材料单元1组成超材料阵列结构2，并且仅采用了三个超材料阵列结构2组成本实施例的电磁聚焦放大透镜，若是采用更多数量的超材料单元1构成超材料阵列结构2，并且增加超材料阵列结构2的数量，则所述电磁聚焦放大透镜的能流密度增益效果可以进一步地增强，从而进一步地提高微带整流天线系统的工作效率。

本实施例的电磁聚焦放大透镜采用的超材料阵列结构2，其具有良好的电磁聚焦特性，可以使得微带整流天线3前方的电磁能流密度得到显著的提升，从而提高微带整流天线系统的工作效率。

请参见图8，图8是本发明实施例提供的一种电磁聚焦放大透镜的制备方法流程图，如图所示，本实施例的电磁聚焦放大透镜的构建方法，包括：

s1：根据期望电磁波的频率和预选的基础谐振环，得到超材料仿真单元；

s2：根据所述超材料仿真单元，得到超材料仿真阵列；

s3：根据所述超材料仿真阵列，制备所述电磁聚焦放大透镜。

具体地，在本实施例中使用cst(三维电磁场仿真软件)或hfss(高频结构仿真)电磁仿真软件，进行建模仿真，在仿真过程中，设置的边界条件为：上下边界为理想电壁，左右边界为理想磁壁，前后边界为开放空间，激励源，即模拟电磁波的发生源，设置其频率为2.45ghz，2.4ghz频率是现有的无线电磁信号波段中，应用成熟广泛且能量衰减较低的频率波段，也是本实施例的电磁聚焦放大透镜的应用的工作频率点。

进一步地，所述s1，包括：

s11：选择所述基础谐振环作为所述超材料仿真单元的初始谐振环结构；

请参见图9，图9是本发明实施例提供的一种基础谐振环的示意图，所述基础谐振环呈形，具体地，介质基板的材料选用环氧树脂板，等级为fr-4，厚度选为3mm。

s12：对所述基础谐振环的参数进行调整优化，得到双开口衍生谐振环；

s13：根据所述双开口衍生谐振环，构成所述超材料仿真单元。

具体地，第一步，确定所述初始谐振环结构的尺寸，首先根据所述期望电磁波的频率确定所述初始谐振环结构的尺寸范围。由于在等效介电常数理论中，结构的尺寸必须远小于所述期望电磁波的波长，在本实施例中，所述期望电磁波为2.45ghz的电磁波，其波长为c/f，其中，c为真空中的光速，f为电磁波的频率，计算得到2.45ghz电磁波的波长为0.1224m，因此选择所述初始谐振环结构的尺寸范围为1/5～1/20波长的范围，即5mm～20mm。

其次，将所述初始谐振环结构，根据所述尺寸范围从5mm开始每隔1mm直到20mm划分为16组，在cst软件中分别对其进行仿真，得到16组所述初始谐振环结构的s参数。其中，s参数，是指散射参数，是微波传输中的一个重要参数，用于评估被检测设备的反射信号和传送信号的性能。

再次，确定每一组所述初始谐振环结构的s参数，其发生突变的频率点，选择最靠近所述期望电磁波频率的那一组，将其对应的尺寸作为所述初始谐振环结构的尺寸。具体地，s参数发生突变的频率点意味着在这个频率点，此结构很有可能出现左手特性。在经典电动力学中，媒质的电磁性质可以用介电常数ε和磁导率μ两个宏观参数来描述，自然界中物质的这两个参数一般都与频率有关，并且在绝大多数的情况下它们都为正数。对于介电常数ε和磁导率μ为正数的常规媒质，电磁波能在其中传播，其传播常数k取决于媒质的介电常数ε和磁导率μ，在常规媒质中电场强度e、磁场强度h和传播矢量k之间满足右手螺旋关系，即常规媒质具有右手特性。

如果介电常数ε和磁导率μ均为负数，电磁波也能在其中传播，但是电场强度e、磁场强度h和传播矢量k之间满足左手螺旋关系，即此媒质具有左手特性，而具有左手特性的物质一般通过人工合成制造而成，也就是超材料，在本发明实施例中，也是通过构建超材料从而得到具有电磁聚焦功能的放大透镜。

在本实施例中，如图9所示，当所述基础谐振环的尺寸b为9mm时，其s参数产生突变的频率点最靠近2.45ghz，因此选择所述基础谐振环的尺寸b为9mm，介质基板的边长a为10mm也就是所述超材料仿真单元的边长。

第二步，确定所述超材料仿真单元的谐振环结构，对于第一步确定的超材料仿真单元的尺寸和结构，其s参数产生突变的频率点也就是谐振频率点，与2.45ghz存在一定的偏差，所以要对其结构进行优化，主要是对所述基础谐振环的结构参数进行优化调整。

首先，所述基础谐振环的结构不变，采用不同的铜线宽度e，分别为1mm和0.5mm进行仿真，得到两组s参数，将得到的两组s参数在matlab中使用逆推公式对所述基础谐振环的等效介电常数与等效磁导率进行逆推，逆推公式如下：

其中，n为结构的等效折射率；z为结构的阻抗；k为电磁波波数；d为介质基板厚度；s11和s21均为s参数中的数据，s11为输入反射系数，s21位正向传输系数。

等效介电常数ε＝nz，等效磁导率μ＝n/z，根据上述公式在matlab中进行演算，能够得到所述基础谐振环的等效介电常数和等效磁导率。通过结果分析得到，铜线宽度e为0.5mm时，所述基础谐振环在2～3ghz内获得了左手特性，但是距离2.45ghz仍有较大偏差。

其次，如图10所示，在所述基础谐振环的两个开口相对的侧壁上分别增加深度为i，宽度为g的凹进部，形成第二谐振环，将所述凹进部的宽度g和深度i分别作为变量进行仿真，分析结果发现提升所述凹进部的宽度g可以后移所述第二谐振环的s参数发生突变的频率点，而且s参数的突变幅度增强，s参数发生突变就意味着在这个频率点很有可能出现左手特性，s参数的突变幅度增强，表示该结构的介电常数和折射率的幅值会更好，而折射率幅值更高，说明其对电磁波折射效果更强，也就是聚焦效果更好。而增加所述凹进部的深度i则可以前移所述第二谐振环s参数发生突变的频率点，但是并不改变s参数突变的幅度。反复对所述凹进部的宽度g和深度i的值进行试验，无论取值如何，都无法使所述第二谐振环的s参数突变的频率点调整至2.45ghz。

再次，考虑引入新变量，发现增大所述开口宽度f同样能够后移s参数发生突变的频率点，在对f进行调整后能够使得所述第二谐振环的s参数发生突变的频率点为2.45ghz，但是通过逆推公式对该结构的等效介电常数与等效磁导率进行逆推，得到的等效介电常数值幅值减小，这说明该结构的左手特性变得不明显。

最后，如图11所示，在所述开口处引入第一回折部，其长度为j，形成第三谐振环，发现提升第一回折部长度j的值，能够提升所述第三谐振环结构的等效介电常数幅值，但是其s参数发生突变的频率点会前移。此时，若再增加所述开口宽度f的值，会使整个结构的性能恶化。如图12所示，因此在第一回折部的基础上进一步引入第二回折部，第二回折部的长度为k，形成第四谐振环，所述第一回折部和所述第二回折部组成双回折线结构。

在对所述第四谐振环的各参数做调整优化之后，得到所述双开口衍生谐振环，其开口宽度f为2mm，所述凹进部的宽度g为3mm，深度i为1mm，所述第一回折部的长度j为2mm，所述第二回折部的长度k为1.5mm，此结构实现了s参数发生突变的频率点在2.45ghz，并且s参数在该频率点突变幅值较大，对s参数进行逆推计算得到负的等效介电常数与负的等效磁导率值，其数值均比较理想，所述双开口衍生谐振环作为所述超材料仿真单元的谐振环结构，构成所述超材料仿真单元。

进一步的，所述s2，包括：

s21：将所述超材料仿真单元进行阵列排布，得到初始仿真阵列；

s22：调整所述初始仿真阵列中所述超材料仿真单元之间的距离，直至所述初始仿真阵列具有负的等效介电常数和负的等效磁导率，获取所述超材料仿真阵列。

具体地，所述超材料仿真单元组成所述初始仿真阵列后，所述初始仿真阵列的谐振频率点可能出现偏移，需要对所述超材料仿真单元之间的间距进行调整，再分别对具有不同间距的所述初始仿真阵列进行仿真逆推得到理想的负的等效介电常数与负的等效磁导率值，以获取所述超材料仿真阵列，使得所述超材料仿真阵列的谐振频率点在2.45ghz，也就是所述电磁聚焦放大透镜的应用工作频率。

进一步的，所述s3，包括：

s31：根据所述超材料仿真阵列，在选定的介质基板上制备得到超材料阵列结构；

具体地，通过印刷电路板技术，在环氧树脂板上印刷出铜线排布的所述超材料仿真阵列，得到所述超材料阵列结构。采用现有常规印刷电路板制造工艺，其工艺成熟、成本较低。

s32：将若干所述超材料阵列结构在空间排列，形成所述电磁聚焦放大透镜。

具体地，所述超材料阵列结构在微带整流天线前方的空间呈扇形分布排列，形成所述电磁聚焦放大透镜，相邻的所述超材料阵列结构之间的空间夹角相等。相邻的所述超材料阵列结构之间的间距根据实际情况调整适中，因为如果所述超材料阵列结构之间间距较近，根据几何运算，其能量聚焦的焦点距离所述微带整流天线过远，不利于安装并且能量也会存在发散现象，没有办法聚焦更多的电磁波，影响所述电磁聚焦放大透镜的工作效率；如果所述超材料阵列结构之间间距较远，由于电磁波主要聚集在中轴线附近，两侧的阵列汇聚的电磁波功率密度较低，不利于所述电磁聚焦放大透镜接收电磁波，而且两侧的阵列偏移角度过大，接收的电磁波能量较少，所述电磁聚焦放大透镜对电磁波的增益效果不佳。

值得说明的是，为了提高所述电磁聚焦放大透镜对电磁波的增益效果，可以采用多个所述超材料阵列结构在所述微带整流天线的前方呈一排扇形结构排列，或者呈多排扇形结构排列，也可以在所述微带整流天线的前方排列成半球形结构。

在本实施例中，所述电磁聚焦放大透镜可以采用机械固定方式实现与所述微带整流天线间的空间位置分布与空间夹角，或者采用具有旋转结构的机械方式与所述微带整流天线形成可转动连接，从而实现控制无线能量传输方向的功能。

以上内容是结合具体地优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。