[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

说明书

本发明涉及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，包括能量转换单元以及功能层；功能层包括液态金属超表面结构层且以能量转换单元为轴且沿圆周分布，形成圆周分布超表面；或者功能层还包括接地金属层，功能层以能量转换单元为圆心且沿径向分布，形成径向分布超表面；液态金属超表面结构层包括介质基板和设置在介质基板上的若干个超表面结构单元；每个超表面结构单元均包括设置在介质基板上的液态金属收集器、电解质溶液收集器以及环形的超表面结构单元通道，液态金属收集器和电解质溶液收集器均匀分布且与超表面结构单元通道相连通。在无线充电中，本发明液态金属超表面结构能够实现相位动态可调，对波源的汇聚效果强。

技术领域

本发明涉及无线充电领域，特别涉及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。

背景技术

无线充电技术是指通过电磁感应、电磁共振、射频、微波、激光等方式实现非接触式电能传输的技术，被视为具有基础应用性意义的前沿科技，在电动汽车、体内植入式医疗器械、小型机器人、便携式智能设备、物联网设备充电中有着巨大的应用价值。

当前无线充电技术面临的主要挑战之一是如何在一个合理的距离上获得较高的传输效率。现在最成熟的是电磁感应无线充电技术，这种方式下的能量传递主要是在较低的频率下通过原副线圈之间耦合的无辐射磁场进行。由于这种近场电感应方式的无线充电系统对于人体相对安全并且在较短的距离内有较高的效率，所以已经有很多的商业化尝试。但是由于近场耦合会随着原副线圈之间的距离增大迅速下降(以距离倒数的六次方下降)，因此近场无线充电方案要求接收装置距离能量源足够近。这种近距离的约束极大地限制了无线充电技术的应用；电磁感应无线充电对充电距离具有要求，而高频微波可实现远场无线充电，可以在较长的距离下实现能量的传输，尤其是难以到达的区域(如危险区域、狭窄空间等)或是目标内嵌于其它设备的情况。

无线充电技术需要解决的另一个难题是如何为移动目标供电。如果是被充电目标是移动的，无线充电系统还需拥有机械扫描或者电子参数可调节的功能。

射频系统使用一个或多个天线传输能量并进行通信。如使用现有的wifi信号、蓝牙和手机信号实现数据通信和无线功率接收，然后将这些微波信号能量能流转化为直流电能，直接实现对小功率电子设备的无线充电；通过大幅提高体系供电量、供电距离及效率，有望驱动功耗高达数十千瓦的电动汽车等设备，进一步推动无线充电技术的发展。

超表面结构是一种亚波长厚度的人工微结构单元，具有可以有效操控电磁波的相位、振幅及传播模式等特性，通过合理的结构设计产生相位突变实现波束调控，可以通过多种结构和方式将微波或声波信号能量高效集中起来，转换成直流电流用于无线充电。

目前设计的超表面结构基本都是平面形式，仅能通过可调实现正面方向入射波的汇聚和转换，汇聚效果差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供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，制得的充电器件能够面向移动目标且动态可调频。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

包括能量转换单元以及功能层；功能层以能量转换单元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和接地金属层；在圆周分布超表面中，功能层包括液态金属超表面结构层；液态金属超表面结构层包括介质基板和设置在介质基板上的若干个超表面结构单元；

每个超表面结构单元均包括设置在介质基板上的液态金属收集器、电解质溶液收集器以及环形的超表面结构单元通道，液态金属收集器和电解质溶液收集器均匀分布在超表面结构单元通道的四周且与超表面结构单元通道相连通。

进一步地，介质基板的材质为PDMS或Ecoflex塑料。