[发明专利]一种动态可调频超表面结构无线充电器件及无线充电方法

权利要求书

1.一种动态可调频超表面结构无线充电器件，其特征在于：包括能量转换单元(4)以及功能层；功能层以能量转换单元(4)为圆心且沿径向分布，形成径向分布超表面；或者功能层以能量转换单元(4)为轴且沿圆周分布，形成圆周分布超表面；

在径向分布超表面中，功能层包括依次叠层设置的液态金属超表面结构层(1)和接地金属层(3)；在圆周分布超表面中，功能层包括液态金属超表面结构层(1)；液态金属超表面结构层(1)包括介质基板(2)和设置在介质基板(2)上的若干个超表面结构单元(8)；

每个超表面结构单元(8)均包括设置在介质基板(2)上的液态金属收集器(5)、电解质溶液收集器(6)以及环形的超表面结构单元通道(7)，液态金属收集器(5)和电解质溶液收集器(6)均匀分布在超表面结构单元通道(7)的四周且与超表面结构单元通道(7)相连通。

2.根据权利要求1所述的一种动态可调频超表面结构无线充电器件，其特征在于：介质基板(2)的材质为PDMS或Ecoflex塑料。

3.根据权利要求1所述的一种动态可调频超表面结构无线充电器件，其特征在于：液态金属收集器(5)和电解质溶液收集器(6)均为两个，且液态金属收集器(5)和电解质溶液收集器(6)呈中心对称分布。

4.根据权利要求1所述的一种动态可调频超表面结构无线充电器件，其特征在于：液态金属采用镓或镓基液态金属合金。

5.根据权利要求1所述的一种动态可调频超表面结构无线充电器件，其特征在于：径向分布超表面的相位梯度满足以下公式：

其中θ_i是波源的入射角，n_i是空气中的折射率，k₀是波矢。

6.根据权利要求1所述的一种动态可调频超表面结构无线充电器件，其特征在于：圆周分布超表面上每个位置的超表面结构单元(8)的相位为：Φ＝k₀(r-rcosθ)；

其中，k₀是波矢，r为圆周分布超表面的半径，θ为超表面结构单元(8)平面法线方向与平面波传播方向的夹角。

7.根据权利要求1所述的一种动态可调频超表面结构无线充电器件，其特征在于：液态金属超表面结构层(1)的厚度为1～6mm。

8.基于权利要求1所述动态可调频超表面结构无线充电器件的无线充电方法，其特征在于：采用电控液态金属的调节方式实现超表面结构调整，通过调整后的超表面结构实现波的汇聚，经过能量转换，完成无线充电。

9.根据权利要求8所述无线充电方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)先通过广义反射定律计算出径向分布超表面的相位梯度或者根据相位补偿原理推导出圆周分布超表面上每个位置的超表面结构单元(8)的相位Φ；

(2)通过在液态金属收集器(5)和电解质溶液收集器(6)处施加电压，控制液态金属进入注满电解质溶液的超表面结构单元通道(7)中，形成开口谐振环结构，通过控制施加电压的方向实现开口谐振环结构开口方向的调整，通过控制施加电压时间的长短实现开口谐振环结构开口角度大小的调整，直至满足步骤(1)计算的相位梯度或者相位，完成超表面结构调整；

(3)波源发出的传播波经过径向分布超表面后转换成表面波集中到能量转换单元(4)上，或者波源发出的传播波经过圆周分布超表面后直接形成透射波汇聚到能量转换单元(4)上，由能量转换单元(4)将表面波或透射波转换成直流电流，完成无线充电。

10.根据权利要求9所述无线充电方法，其特征在于：步骤(2)中施加电压是分别在液态金属收集器(5)的液态金属以及电解质溶液收集器(6)的电解质溶液中接入电源正极和电源负极，形成回路；在实现开口谐振环结构开口方向的调整过程中，液态金属收集器(5)的液态金属中接电源正极，电解质溶液收集器(6)的电解质溶液中接电源负极，在收回开口谐振环结构中的液态金属时，将电源正极和电源负极反转。