谐振频率和磁导率可电学参数控制的电磁超材料单元基本结构及其控制系统

本发明属于无线能量传输，具体涉及一种谐振频率和磁导率可电学参数控制的电磁超材料单元基本结构及其控制系统。

背景技术：

1、无线能量传输技术可以为移动终端、智能家电、植入式医疗和工业传感器等设备提供丰富的供电场景。传统的无线能量传输技术主要包括了磁感应耦合式和磁耦合谐振式。磁感应耦合式基于电磁感应原理，使用两个距离很近具有强耦合的线圈，通过变化的电磁场实现电能的无线传输。磁谐振耦合式利用非辐射近场共振原理，在距离较远的两个线圈之间添加两个自谐振线圈，通过谐振线圈之间的强磁耦合实现中距离能量传输。两种传统的无线能量传输技术都形成了线圈之间的强磁耦合来传输电能，难以同时满足提高传输距离和传输效率的迫切要求。电磁超材料具有负磁导率等可设计特性，将其置于无线能量传输系统的适合位置，可以显著增强系统的磁耦合，提升能量传输效率。

2、由于电磁超材料的结构特性和电学特性，传统电磁超材料的负磁导率仅在单一频率附近得到充分反映，也仅仅适合提升固定频率电磁波无线能量传输的效率。当需要分别增强不同频率电磁波的能量传输效率时，就需要多个相应工作频率的电磁超材料，大大增加了系统的硬件成本。通过频率可重构的电磁超材料，能够对多种频率电磁波进行调控，极大地降低了硬件成本。

3、当应用于无线能量传输领域，负磁导率呈现梯度分布的电磁超材料阵列相比于传统使用单一负磁导率的阵列可以提供更好的磁聚焦效果，能量传输效率得到了进一步的提高。但在发送线圈和接受线圈存在失配的情况下，无论是传统的单一负磁导率阵列还是固定负磁导率梯度的电磁超材料阵列，能量传输效率都有下降。通过应用负磁导率可变的电磁超材料单元，调整负磁导率呈梯度变化的电磁超材料阵列的分布，线圈失配所造成的传输效率下降可以得到有效抑制。

4、频率和负磁导率可变的电磁超材料可以通过改变并联的可调电容大小来实现，但是当前电磁超材料应用的机械变容器具有体积大、精度低、手动调控等缺点，压控变容二极管线性度低，导致电磁超材料的频率调控不精确。为了能够精确地对电磁超材料工作频率进行电学调控、调整电磁超材料的负磁导率，需要引用一种线性度高、谐振频率和磁导率可电学参数调控的可变电容器的电磁超材料，从而实现对电磁超材料频率和磁导率的精准调控，进而对当前磁导率呈梯度分布的电磁超材料阵列进行控制。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服上述现有技术的不足，针对无线能量传输领域中频率和磁导率可受电学参数控制的电磁超材料的需求，提供一种谐振频率和磁导率受到电学参数控制的电磁超材料基本单元的结构，将线性可调电容和传统电磁超材料有机融合，应用了线性度高的mems可调电容、电容电压控制装置和控制器，实现了对电磁超材料工作频率的精确控制和磁导率的调控。

2、本发明采用如下技术方案：

3、本发明一方面提供一种谐振频率和磁导率可电学参数控制的电磁超材料单元基本结构，其特点在于，包括：谐振单元，由基板、固定在该基板上下表面的上螺旋线圈和下螺旋线圈，以及连接所述上螺旋线圈和下螺旋线圈的过孔组成；以及

4、mems可调电容，并列在所述上螺旋线圈和下螺旋线圈的两个端口之间，包含四个引脚，分为电源输入端口和电容输出端口，通过电源输入端口输入的电压控制输出端口输出的电容值的大小，通过电学控制的线性变化，实现频率的可控。

5、优选的，所述上螺旋线圈和下螺旋线圈均采用外宽内窄、外窄内宽或者内外等宽的线圈形式。

6、另一方面，本发明还提供一种频率和负磁导率可电学调控的电磁超材料控制系统，其特点在于，包括由上述电磁超材料单元基本结构周期性排布而成的电磁超材料板阵列，以及控制器和电容电压控制模块；

7、所述控制器发出控制信号，所述电容电压控制模块接收该控制信号后输出的控制电压加载到所述mems可调电容上，线性调控电磁超材料等效电容大小，实现超材料频率和磁导率的电学调控。

8、优选的，所述电容电压控制模块需要满足控制输出电压大小、保持输出电压稳定、易于实现、易于控制的特性，从而线性调控mems电容器输出不同的电容。

9、优选的，所述的控制器为所述电容电压控制模块提供控制信号，同时也能够适用在电磁超材料阵列中为单个器件提供单独的控制信号。

10、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

11、1).电磁特性可受外部指令的调控，在宽频内对给定的电磁波进行能量传输效率的增强。

12、2).具有调控方便、精确度高、频率变化线性度好等特点。相较于现有技术，使用mems可调电容具有可线性调控的优势，从而降低了频率精确变化时，调整电磁超材料工作频率的难度。

13、3).所采用的电磁超材料设计结构和控制系统，可对2维/3维超材料单元阵列中的每个超材料单元进行单独控制。控制器通过对电容电压控制装置输入控制信号，电容电压控制装置对mems电容器进行电压输入，mems可调电容的输入电压得到控制。通过对与谐振单元并联的mems可调电容阵列中各个单元的输入电压进行调整，可实现对电磁超材料阵列中超材料单元工作频率和磁导率的单独调控。

14、4).主要工作在低频范围内，由工作频率和附加电容的反比关系，低频下可调电容可实现更为精细的频率调控。

15、5).主要在厘米尺度下完成设计和制备，可以实现电磁超材料单元的小型化，从而集成为电磁超材料阵列，对加工精度的要求低，非常适合工业化批量生产。

技术特征：

1.一种谐振频率和磁导率可电学参数控制的电磁超材料单元基本结构，其特征在于，包括：谐振单元，由基板、固定在该基板上下表面的上螺旋线圈和下螺旋线圈，以及连接所述上螺旋线圈和下螺旋线圈的过孔组成；以及

2.根据权利要求1所述的电磁超材料单元基本结构，其特征在于，所述上螺旋线圈和下螺旋线圈均采用外宽内窄、外窄内宽或者内外等宽的线圈形式。

3.一种频率和负磁导率可电学调控的电磁超材料控制系统，其特征在于，包括由权利要求1或2所述的电磁超材料单元基本结构周期性排布而成的电磁超材料板阵列，以及控制器和电容电压控制模块；

4.根据权利要求3所述的电磁超材料控制系统，其特征在于，所述电容电压控制模块需要满足控制输出电压大小、保持输出电压稳定、易于实现、易于控制的特性，从而线性调控mems电容器输出不同的电容。

5.根据权利要求3所述的电磁超材料控制系统，其特征在于，所述的控制器为所述电容电压控制模块提供控制信号，同时也能够适用在电磁超材料阵列中为单个器件提供单独的控制信号。

技术总结
本发明涉及一种谐振频率和磁导率可电学参数控制的电磁超材料基本单元结构，可应用于无线能量传输技术领域。发明包括了电磁超材料基板、位于电磁超材料基板正反面的平面螺旋线圈和MEMS可调电容。利用本发明提出的电磁超材料单元控制系统，可对电磁超材料基本单元或电磁超材料基本单元组成的电磁超材料阵列中的MEMS电容进行电压控制，从而改变对应超材料单元的谐振频率和磁导率，控制简单、方便。

技术研发人员：赵春宇,黄震宇,王晓乐,张睿,王凯锜
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14