超表面多波束天線技術(shù)及其在無線能量傳輸中的應(yīng)用①

蔣之浩，李 遠(yuǎn)

(東南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)

0 引言

自19世紀(jì)末期起，人類便開始了對采用無線方式進(jìn)行電能傳輸?shù)奶剿?，尼古拉·特斯拉作為此領(lǐng)域的先驅(qū)，在1899-1901年間進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，雖然由于經(jīng)費(fèi)短缺而以失敗告終，但卻為后人敲開了無線能量傳輸?shù)募夹g(shù)之門[1]。

隨著第二次世界大戰(zhàn)期間微波技術(shù)的發(fā)展，特別是微波段高功率真空管的發(fā)明，使得在微波頻段將大功率波束傳遞到遠(yuǎn)處成為可能。1963年，美國雷神公司的威廉姆斯·布朗首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了工作于微波頻段的無線能量傳輸系統(tǒng)，并在1964年成功地用無線方式驅(qū)動了一架直升飛機(jī)模型[2]。

20世紀(jì)70年代，人類對微波無線能量傳輸?shù)呐d趣迎來了一個高峰，開始探討采用此技術(shù)在地球上不同區(qū)域之間、以及地球和空間站之間進(jìn)行大功率能量輸送的可能性[3-4]。

出于對安全和效率的考慮，近距無線能量傳輸在最近幾十年也開始逐步走進(jìn)人們的視野，并且隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動通信、新能源汽車等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，以及智能電子電氣設(shè)備的高度普及，近距無線能量傳輸技術(shù)被深入的開發(fā)，并且在近年內(nèi)逐步成熟到可以商業(yè)應(yīng)用的程度[5-6]。

其應(yīng)用涉及無線安保和門禁、可植入醫(yī)療設(shè)備、只能電話和手表、智能家居、電動汽車等多個領(lǐng)域，預(yù)期將在不久后深入人類生活和工作的各個角落。

無線能量傳輸主要可以分為三類，包括近距無線能量傳輸、近中距無線能量傳輸、以及中遠(yuǎn)距無線能量傳輸[7]。

其中，如圖1(a)所示，近距無線能量傳輸主要依靠磁感應(yīng)現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)[8-9]，通過將兩個線圈面對面靠緊放置，通過磁通量的交變在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而實(shí)現(xiàn)能量傳輸，雖然傳輸距離遠(yuǎn)小于線圈直徑，僅為毫米級，但傳輸效率高、傳輸功率大。

近中距無線能量傳輸主要依靠電磁諧振耦合實(shí)現(xiàn)[10]，如圖1(b)所示，其充電距離可以等于線圈直徑、甚至達(dá)到線圈直徑的數(shù)倍，可實(shí)現(xiàn)米級傳輸距離，且效率依然可達(dá)到75%以上。

對于第三種中遠(yuǎn)距無線能量傳輸，如圖1(c)所示，主要通過電磁波的輻射將能量從發(fā)射端傳送到接收端[11]，其距離可以達(dá)到幾個甚至幾千個波長，實(shí)現(xiàn)千米級傳輸距離，無疑可以極大地拓展無線能量傳輸?shù)膽?yīng)用性。

然而，由于電磁波在空間中與距離平方成正比的傳播損耗，遠(yuǎn)距無線能量傳輸?shù)男瘦^低，且對周圍環(huán)境的電磁污染較大，因此相比于前兩種無線能量傳輸模式，中遠(yuǎn)距無線能量傳輸目前仍處在研究階段，距離商業(yè)化還有較長的路要走。

(a) 近距離磁感應(yīng)傳輸示意圖

(b) 近中距電磁諧振耦合傳輸示意圖

(c)中遠(yuǎn)距電磁輻射傳輸示意圖圖1 不同傳輸距離的無線能量傳輸原理示意圖Fig.1 Schematics of different types of wireless power transmission techniques

超表面是由亞波長單元按周期或非周期排列而成的人工電磁表面結(jié)構(gòu)[12]，其中每個單元的電響應(yīng)、磁響應(yīng)、各向異性等特性均可以獨(dú)立控制，對電磁波的傳導(dǎo)、輻射、散射等特性可以實(shí)現(xiàn)幾乎任意的調(diào)控，且剖面低、損耗小、可共形，這些使得超表面不僅能夠大幅提升現(xiàn)有電磁器件的性能，更可以獲得傳統(tǒng)器件無法實(shí)現(xiàn)的新功能。

特別地，在波前控制方面，超表面展現(xiàn)出強(qiáng)大的波前重塑能力，可以對反射波或透射波在遠(yuǎn)場區(qū)域和近場區(qū)域的幅度、相位、和極化分布進(jìn)行精確的控制[13-15]。

對于無線能量傳輸而言，超表面強(qiáng)大的波前控制能力可以在基于電磁輻射的中遠(yuǎn)距無線能量傳輸中發(fā)揮巨大作用，形成多個遠(yuǎn)場或近場聚焦波束，本文主要介紹就基于超表面的多波束天線技術(shù)，對目前已有的工作進(jìn)行介紹和總結(jié)，并探討其在中遠(yuǎn)距無線能量傳輸中的應(yīng)用，最后總結(jié)并展望。

1 超表面多波束天線

在基于電磁輻射的中遠(yuǎn)距無線能量傳輸中，需要將發(fā)射端的能量以電磁波為載體聚焦在遠(yuǎn)場區(qū)域(又稱夫瑯禾夫區(qū))或輻射近場區(qū)域(又稱菲涅爾區(qū))內(nèi)的特定位置，這就需要輻射近場聚焦天線遠(yuǎn)或遠(yuǎn)場高定向波束天線[16]。

此外，由于很多應(yīng)用場景中存在多個接收端同時接收能量傳輸?shù)男枨?，因此，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中的多波束天線[17](包括多波束近場聚焦天線和多波束遠(yuǎn)場定向天線)可以被應(yīng)用到多用戶無線能量傳輸中。下面，我們將對基于超表面的多波束天線進(jìn)行介紹。

1.1 反射式和透射式相移超表面

為了形成多個遠(yuǎn)場高定向波束或多個近場聚焦波束，所用超表面需要將饋源天線的輻射波前進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在超表面的每個單元對反射波或透射波產(chǎn)生一定的相移，從而在超表面的出射口面形成所需的近場分布，完成波束成形。此類波束成形超表面主要分為反射式和透射式兩種。

如圖2(a)所示，反射式超表面一般有多層由介質(zhì)基片隔開的金屬層，且位于底部的金屬層為一個連續(xù)的金屬地板，達(dá)到反射所有能量的目的[18-20]。

在地板上方的金屬層由亞波長單元構(gòu)成，單元與單元之間可以沒有任何電連接或有細(xì)導(dǎo)體相連，從而獲得容性或感性的單元間耦合。

對于透射式超表面單元，如圖2(b)所示，不存在這樣的金屬地板，且為了同時實(shí)現(xiàn)高效率的電磁波透射和相移，金屬層的層數(shù)必須多于一層[21-23]。不論反射式還是透射式的超表面單元，其每個單元金屬層的結(jié)構(gòu)均可以由長方形貼片、細(xì)長的偶極子、環(huán)形線圈、金屬縫隙槽、或具有其它幾何形狀的金屬結(jié)構(gòu)組成，提供所需的分布式電容和電感。為了實(shí)現(xiàn)雙極化響應(yīng)，可采用各向同性的單元結(jié)構(gòu)，比如圓形貼片、十字形偶極子、十字形縫隙等，而為了拓展工作帶寬，可以使用多諧振結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)[24-25]。

從相移的產(chǎn)生方法上分類，反射式/透射式超表面單元可分為兩類。第一類相移稱為動態(tài)相位相移[27]，此類相移主要針對線極化波，當(dāng)超表面單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)的尺寸大小改變時，每個單元的諧振頻點(diǎn)會發(fā)生偏移，從而改變反射或者傳輸相位。第二類相移稱為旋轉(zhuǎn)相位相移[28]，此類相移主要針對圓極化波，當(dāng)超表面單元為各向異性單元，且沿其兩個光軸方向的線極化反射/透射相位相差180度的時候，可將一束圓極化入射波會轉(zhuǎn)換為具有同樣手性的圓極化反射波或具有相反手性的圓極化透射波，類似一個反射/透射半波片。

將這樣的各向異性超表面單元以其幾何中心為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，對于反射的同手性圓極化波和投射的反手性圓極化波，可以獲得兩倍于旋轉(zhuǎn)角的相移，且對于左旋和右旋圓極化入射波，所產(chǎn)生的相移互為相反數(shù)。

根據(jù)廣義斯涅爾和廣義菲涅爾定理[29]，具有不同相移的反射式/透射式超表面單元放在一起時，每個單元所產(chǎn)生的反射波/透射波的相位不一樣，便可實(shí)現(xiàn)對反射或透射電磁波的偏折。這兩種相移的主要差別在于，基于動態(tài)相位可應(yīng)用于線極化和圓極化波，但其相移值隨頻率變化而改變，而旋轉(zhuǎn)相位的相移是非色散的，但其只可以用于圓極化波。最近的研究表面，同時利用動態(tài)相位和旋轉(zhuǎn)相位，可以實(shí)現(xiàn)對左旋和右旋圓極化波的相移的獨(dú)立控制，從而實(shí)現(xiàn)雙圓極化波束成形[30-31]。

(a) 幾種反射式超表面

(b)幾種透射式超表面圖2 反射式與透射式超表面單元結(jié)構(gòu)Fig.2 Structures of reflective and transmissive metasurface unit cells

1.2 遠(yuǎn)場高定向多波束超表面

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場高定向波束超表面，超表面上的每個單元需首先補(bǔ)償饋源天線所發(fā)射的球面波到達(dá)超表面輸入面的相位差，然后再施加一個線性梯度相位，形成二次輻射，將波束旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)角度。當(dāng)目標(biāo)波束不止一個的時候，可將多個相位分布進(jìn)行線性疊加，形成多焦相位分布。此類單饋源多遠(yuǎn)場高定向波束超表面在微波段和毫米波波段都被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，包括線極化和圓極化的反射式以及透射式多波束超表面[32-37]。

如圖3(a)所示，使用一個線極化喇叭天線照射一個單極化反射式超表面，當(dāng)該超表面上的矩形貼片單元的大小呈一維或二維的一比特相位分布時，可以獲得多個高定向性線極化反射波束[32]。

此方法還可用于圓極化波，如圖3(b)所示，饋源為一個Ka波段圓極化喇叭天線，超表面由兩層金屬層構(gòu)成，下層為一個金屬地板，上層為正方形貼片陣列，每個單元具有不同的邊長以提供不同的各向同性的反射相位?？梢钥吹?，所實(shí)現(xiàn)的四個高定向波束的副瓣仿真值均小于-25dB，而測量值也小于-20dB，比單純使用相位疊加的方法實(shí)現(xiàn)的四個波束的副瓣低很多，這是由于采用了交替映射算法對超表面單元的相位分布進(jìn)行了優(yōu)化[33]。

最近，如圖3(c)所示，研究人員將此優(yōu)化方法和旋轉(zhuǎn)相位單元結(jié)合，高效率地實(shí)現(xiàn)了圓極化多鉛筆波束和圓極化多賦形波束，且每個波束的增益可以獨(dú)立設(shè)定，這對單個發(fā)射源同時對多個處于不同方位和距離的設(shè)備進(jìn)行無線能量傳輸中具有重要意義[37]。

單饋源多定向波束的好處在于一個發(fā)射端可以同時對多個接收端傳輸能量，但是在多個接收端不是全部需要接受能量的情況下，會造成能量損失，導(dǎo)致總效率大幅下降。因此，具有多饋源、且每個饋源對應(yīng)一個定向波束的多饋源多波束超表面天線顯得更加靈活多變，可以適用于更多不同的場景，雖然系統(tǒng)的復(fù)雜度變高了[38-42]。

如圖4(a)所示，此線極化多饋源多波束天線采用了雙層耶路撒冷十字形結(jié)構(gòu)作為超表面動態(tài)相位單元以及7個基片集成波導(dǎo)饋電的四貼片線極化天線作為饋源，從而可以實(shí)現(xiàn)覆蓋±30°的7個定向波束[40]。若在超表面設(shè)計(jì)中采用旋轉(zhuǎn)相位單元，并且將饋源陣列換成圓極化天線陣列，則可以實(shí)現(xiàn)多饋源多圓極化波束。

如圖4(b)所示的超表面天線具有可覆蓋±33°的5個圓極化定向波束，且每個波束的帶寬約為20%[42]。

(a) 1比特分布超表面陣列實(shí)物圖及多波束反射 (b) 圓極化超表面實(shí)物圖及高增益多波束反射 (c) 旋轉(zhuǎn)相位超表面實(shí)物圖以及多波束結(jié)果圖3 工作在遠(yuǎn)場的高定向性多波束超表面Fig.3 Single-feed multi-beam metasurfaces for far-field focusing

(a) 超表面動態(tài)相位單元、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及多波束的測量結(jié)果 (b) 超表面旋轉(zhuǎn)相位單元、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及多波束的測量結(jié)果圖4 多饋源多定向波束超表面Fig.4 Multi-feed multi-directional beam metasurface

1.3 近場聚焦多波束超表面

使用遠(yuǎn)場高定向波束進(jìn)行無線能量傳輸要求能量接收端具有足夠大的接收面積，從而能夠捕獲相應(yīng)波束的絕大多數(shù)能量，當(dāng)能量接收設(shè)備距離發(fā)射端較近，但距離又遠(yuǎn)大于感應(yīng)近場區(qū)時，近場聚焦多波束輻射器件將是較好的解決方案。近場聚焦指天線可以在菲涅爾區(qū)將電磁波匯聚到某一個或多個空間位置上，且具有一定的景深，也就是說，電磁波的功率密度在三個維度上都有較好的聚集效果。傳統(tǒng)的近場聚焦天線可用天線陣列加相移饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)[43]，但是，當(dāng)陣面較大時，饋電網(wǎng)絡(luò)帶來的損耗會抵消陣元數(shù)量增加帶來的聚焦增益。此外，還可采用準(zhǔn)光器件如拋物反射面[44]、菲涅爾波帶片[45]等，它們的功分可在空間中幾乎無損耗地完成，因此可獲得較高的聚焦增益，但是仍存在體積大、非平面、或口徑效率低等缺點(diǎn)。

基于超表面結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)低剖面的近場聚焦天線,與遠(yuǎn)場高定向波束超表面天線類似，超表面的每個單元實(shí)現(xiàn)一定的反射相移或透射相移，在補(bǔ)償饋源天線所發(fā)射的球面波相位的基礎(chǔ)上，再增加一定的相移從而生成類似近場聚焦透鏡出射面的相位分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)近場聚焦波束[46-50]。如圖5(a)所示，一個工作于微波波段的近場聚焦超表面可以實(shí)現(xiàn)單個甚至多個近場匯聚焦點(diǎn)，且每個匯聚點(diǎn)的三維位置均可以獨(dú)立控制[49]。如圖5(b)所示，通過采用惠更斯超表面，即每個超表面單元都含有一個具有電諧振的偶極子和一個具有磁諧振的開口諧振環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的相位調(diào)制，從而獲得單焦點(diǎn)或多焦點(diǎn)近場聚焦[50]。通過設(shè)計(jì)雙極化超表面單元，還可以利用此類近場聚焦天線實(shí)現(xiàn)雙極化近場聚焦。值得注意的是，此類均勻極化近場聚焦的焦點(diǎn)大小由波長所限制，而若采用非均用均勻極化(如徑向極化)近場聚焦，則可以突破衍射極限，將能量聚焦在一個具有亞波長尺寸的區(qū)域[51]。

(a) 可以獨(dú)立控制多焦點(diǎn)的近場聚焦超表面結(jié)構(gòu)示意圖及不同比特數(shù)相位下的全息圖像

(b) 采用惠更斯表面的的阻抗匹配超表面結(jié)構(gòu)示意圖及仿真(左欄)、測試(中欄)得到的不同位置的焦點(diǎn)圖5 幾種近場聚焦的多波束超表面Fig.5 Multi-focal Metasurface for near-field focusing

2 超表面多波束天線在無線輸能中的應(yīng)用

鑒于超表面多波束天線的優(yōu)勢，近年來，除了在移動通信、衛(wèi)星通信、電磁成像等領(lǐng)域發(fā)揮作用，研究人員開始探索它們在無限能量傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用。此方向的應(yīng)用研究主要從兩個方面開展，一個將磁諧振超表面用于感應(yīng)近場區(qū)的無線能量傳輸[52-55]，另一個則是將單波束/多波束超表面天線用于中遠(yuǎn)距無線能量傳輸[56-58]。

在感應(yīng)近場區(qū)的基于超表面的無線能量傳輸方面，如圖6所示，通過將一個由電小尺寸磁諧振單元組成的超表面放置于發(fā)射線圈和接收線圈之間，可以增強(qiáng)發(fā)射線圈與接收線圈之間的空間中的法向磁通量，進(jìn)而提高無線能量傳輸?shù)男蔥52]。基于相似的原理，此方法還可以被應(yīng)用在低頻超分辨成像、核磁共振信號增強(qiáng)中。最近，利用凸半定松弛公式對非凸優(yōu)化問題進(jìn)行建模，研究人員可以實(shí)現(xiàn)對此類復(fù)雜系統(tǒng)的嚴(yán)格優(yōu)化[56]。

(a) 線能量傳輸示意圖，超表面置于發(fā)射和接收線法圈之間以提高近場的向磁通量 (b) 超表面的有無及磁損耗角正切對傳輸效率的影響圖6 感應(yīng)近場區(qū)無線能量傳輸示意圖以及超表面對傳輸效率的影響Fig.6 schematic diagram of wireless power transfer in reactive near-field region and effect of metasurface on transmission efficiency

在基于電磁輻射的中遠(yuǎn)距無線能量傳輸方面，研究人員設(shè)計(jì)了多種多波束超表面結(jié)構(gòu)，并將其融入無線能量傳輸場景進(jìn)行測試。如圖7(a)所示，通過利用單極化多焦點(diǎn)反射式超表面，可以將電磁波的能量匯聚到多個菲涅爾區(qū)的多個空間位置，這里超表面單元由長度不同的三個耦合的偶極子組成，可以在一個很寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)線性度很高的反射相移[56]。如圖7(b)所示，通過利用雙極化近場聚焦反射超表面，能夠分別對兩個正交線極化波獨(dú)立產(chǎn)生單個或多個位置可任意選取的焦點(diǎn)，從而對單個或多個接收端同時進(jìn)行能量傳輸，且對于單個和多個焦點(diǎn)的情況，無線能量傳輸?shù)男示?5%以上[57]。由于需要采用喇叭天線或其他平面天線作為饋源發(fā)射端，因此無線能量傳輸?shù)陌l(fā)射總系統(tǒng)剖面體積較大，為了克服這個問題，研究人員設(shè)計(jì)了采用基于漏波輻射模式的全息超表面[59]，可以在大幅降低設(shè)備的剖面的同時實(shí)現(xiàn)在菲涅爾區(qū)的能量匯聚[58]。

(a) 工作于菲涅爾區(qū)的單極化多焦點(diǎn)反射超表面的單元結(jié)構(gòu)及多焦點(diǎn)示意圖 (b) 近場聚焦的雙極化多焦點(diǎn)反射超表面的單元結(jié)構(gòu)及多焦點(diǎn)示意圖圖7 超表面在菲涅爾區(qū)無線能量傳輸中的應(yīng)用Fig.7 Applications of metasurfaces in wireless power transfer at Fresnel region

3 結(jié)論與展望

無線能量傳輸?shù)难芯恳延谐^一百年的歷史，尤其是在過去十多年里，磁感應(yīng)式和電磁諧振耦合式能量傳輸取得了飛速發(fā)展，然而，基于電磁輻射的中遠(yuǎn)距無線能量傳輸仍然處在研究階段。另一方面，近年來超表面這一新興技術(shù)給通信、傳感、以及成像帶來了新的思路和解決方案，同時，其觸角已開始伸入無線能量傳輸領(lǐng)域，特別是基于超表面的多波束天線的低成本、低剖面波束成形優(yōu)勢將在中、遠(yuǎn)距無線能量傳輸方面發(fā)揮作用。盡管如此，這個方向還有很多值得研究人員去探索和解決的難題，包括如何在不同功率下保持較穩(wěn)定的傳輸效率、如何高效地對多個遠(yuǎn)場和近場聚焦波束進(jìn)行動態(tài)調(diào)控、如何降低基于電磁輻射的無線能量傳輸系統(tǒng)對周邊環(huán)境的電磁干擾等等問題。相信，隨著一個個難關(guān)的攻克，中遠(yuǎn)距無線能量傳輸走進(jìn)人類的日常生活和生產(chǎn)將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，從而進(jìn)一步豐富人類運(yùn)輸能量的手段。