基于电磁超表面的双频段无线能量收集器的设计开题报告

1. 研究目的与意义

基于电磁超表面能量收集技术是通过电磁超材料对环境中电磁波收集的技术。

随着人类社会的工业化，信息化，现代化发展使得我们对能源的需求是永无止境的，而我们的地球环境一直面临着一系列和能源有关的问题。

而城市环境中，每天都存在几十万的移动通信基站和wifi等设备在不间断的发射电磁能量，环境电磁能量的功率密度已变得足够大。

2. 课题关键问题和重难点

1.软件不熟悉。

本次课题需要使用建模软件hfss，对建模软件了解甚少，且课题对建模的准确性要求较高，建模前对模型的单元和阵列都不熟悉，另外当建好模型后需要仿真出多种数据，如何准确仿真出想要得到数据是仿真过程的难点之一，需要熟悉软件不同参数的仿真方法。

2.理论知识不扎实。

3. 国内外研究现状（文献综述）

进入21世纪以来，随着电子科学技术的不断发展，无线能量传输技术已经逐渐进入了人们的视野和生活。

在电动汽车领域，已经实现了利用磁耦合谐振技术为电动车辆充电1-14；此外，被人们熟知的美国苹果公司也已推出了可以使用wpt充电的移动终端设备。

而在某些特殊领域，无线能量传输技术也有其独有的特殊性与必要性，例如在油田矿采领域，地质勘探领域，当其中的电子设备的电量耗尽时，都需要人为的更换电池，这无疑增加了许多潜在的风险与成本；在生物医疗领域，人体可植入电子设备的电池更换对人体的伤害和影响几乎无法避免；在民用或军用的无线传感网(wirelesssensornctwork,wsn)中，当传感器节点大量分布在偏远人迹罕至的地区或者设备密集的地区，需要定期更换数以万计的设备电池将是难以实现的。

4. 研究方案

从无线能量传输技术，电磁超表面，射频整流电路依次研究深入，用单元的分析与设计，近场聚焦电磁表面基本理论分析来设计近场聚焦反射电磁表面设计方法，学习无线能量传输的基本理论，通过整流电路框架，整流拓扑结构，整流二极管的特性分析来分析整流电路原理，再进一步对电磁超表面wpt系统的相关理论分析。在基于反射电磁表面的近场聚焦wpt设计中，同样从单元入手，对单元选择与分析，仿真设计实验单馈源单焦点，进一步实验验证，从双焦点等功率分配与双焦点不等功率分配进行单馈源双焦点的设计与实验，仿真分析双馈源情况，包括双馈源单焦点情况和双馈源双焦点情况。提出聚焦电磁表面与传统定向波束反射率的比较，讨论如何分析并计算聚焦电磁表面的聚焦效率，作为无线能量传输的一种手段，效率是非常重要的，一个设计良好的聚焦传输装置可以获得较高的能量传输效率。为了实现多频带能量收集，我们改进了方环超表面，设计了一种双环型谐振器，收集频率为2.45ghz（wifi）和5.8ghz（ism），通过这样一个单元即可实现极化稳定，角度稳定，并且保持单元长度和厚度的电小尺寸(λ/10，λ为有效收集频带的最长波长)。结构如图1所示，上层为金属构成的谐振结构，中间为低损耗介质，下层为金属地板，不同频带的能量采集点位置不同，分别位于两个环形结构的角处。能量采集点在介质基板表面金属环结构的对角线上，与金属地板通过匹配负载电阻相接。超表面单元的金属谐振结构及地板为金属铜。介质材料为rogerstmm10i，相对介电常数10.2，电损耗角正切tanδ=0.002，结构尺寸如表1所示，内环和外环能量采集端口分别为3和4，分别加载918Ω和915Ω匹配负载。同理，使用hfss进行全波仿真，计算得到s参数、效率以及表面电流等。

为了提高能量收集效率，在2.45ghz整流电路的设计中包含输出滤波器设计和匹配网络的设计，采用四分之一波长开路支节作为输出端的直流滤波器，避免了引入过孔带来的影响；针对滤波频率的四分之一波长开路支节在支节节点处相当于短路，可以滤除高频分量，从而达到滤波的目的。针对基波频率2.45ghz以及二倍频分量4.9ghz，设计了上下两路长度为四分之一滤波频率波长的直线支节；微带介质基板介电常数为2.65，厚度为1mm，端口1的源内阻为50Ω，端口2的负载电阻为3.9kΩ，与所设计的整流电路负载电阻保持一致，对其进行s参数仿真，优化后的上下支节的长度分别为l1=21.5mm，l2=11.1mm，宽度分别为w1=2.2mm，w2=2.44mm，结果显示在2.45ghz以及4.9ghz处，s21的幅值都在-50db以下，具有很好的带阻特性，达到了滤波的目的。然后设计匹配网络时，首先需要分析电路被匹配端口的输入阻抗。由于二极管的输入阻抗随着不同的输入功率会发生非线性变化，准确地分析二极管的特性变化是设计匹配网络的关键，利用仿真软件对二极管及后端直流滤波器的输入阻抗进行仿真。

方案难点及解决办法：如何正确完成模型建模和仿真数据是这个方案的难点，前期运行的hfss软件和模型结构不够熟悉，往往一个模型调试错误会导致仿真数据和理想数据完全不同，所以需要参考熟悉模型结构的文献和相关理论知识来准确完成建模工作。此外，建模过程应考虑各种模型参数对仿真结果的影响

5. 工作计划

第1周：接受任务书，领会课题含义，理解有关内容，阅读老师给的资料，在网上再搜集一些相关的文章，对课题设计进行初步规划，整理资料，确定所用的模块，原理；第2周：翻译相关英文文献资料；第3周：搭建开发环境，进行课题的需求分析，提出拟完成本课题的方案，写出开题报告一份；第4周：学习电磁波、天线理论；学习HFSS仿真软件的的使用；第5周：学习origin绘图软件，建立仿真模型；第6周：根据任务需求，优化仿真模型参数；第7周：计算S11及天线收集效率；第8周：完成实物加工；第9周：完成天线测试；第10周：并根据测试参数与仿真参数对比；第11周：检验仿真正确性；完成毕业论文初稿；第12周：在教师的指导下对撰写的论文进行修改，提交论文终稿及合格的论文检测报告、毕业设计（论文）资料装袋；第13周：教师评阅论文，学生准备参加答辩；第14周：参加答辩，整理归档材料