非均匀序电磁超表面理论及其在微波能量收集中的应用

Far-distance microwave power transmission (MPT) is the key technology of momentous engineering such as space solar power satellites. Elevating efficiency of transmission, propagation and collection is heavily focused on for MPT technology. As for the microwave power beam homogeneous characteristics, electromagnetic (EM) metasurfaces with nonhomogeneous pattern is a significant way to high efficiency microwave rectifying surface. Form the view of fundamental theory and applied basic research, this project begins with modeling and analysis theory. Surface current models of nonhomogeneous-patterned EM metasurfaces are put forward, as well as destructive and constructive interferences at interfaces. This makes a good starting point for theoretical innovations. Then modeling of the nonhomogeneous-patterned rectifying metasurface and its investigation are conducted. Physical model of the nonhomogeneous-patterned rectifying metasurface loaded with lumped impedance is set up and investigated. This is to explore roads to application innovations. Finally an integrated design method for the nonhomogeneous-patterned rectifying metasurface is established. The microwave rectifying metasurface is designed under the constraint of unified wave impedance, impedance matching and filtering design are realized. This helps to find applications for innovations of this project. This research will facilitate efficiency elevation of far-distance MPT Technology.

远距离微波电力传输是空间太阳能电站等重大工程的核心技术，提升微波能量发射、传播和收集等环节的效率是该技术重点关注的问题。鉴于微波能量波束的非均匀特性，非均匀序电磁超表面是实现高效微波整流表面的重要技术途径。本项目从基础理论和应用基础研究的角度，首先开展建模和分析理论的研究，提出非均匀序电磁超表面的表面流模型、界面相长和相消干涉理论，为项目的理论创新奠定基础；然后开展非均匀序微波整流超表面建模及其分析工作，提出集总阻抗加载的非均匀序微波整流超表面物理模型，并加以分析，为项目的应用创新探索途径；最后建立非均匀序微波整流超表面一体化设计方法，在统一波阻抗约束下设计微波整流超表面，实现阻抗匹配、滤波等集成化设计，为项目的创新落实应用方向。本项目研究可为远距离微波电力传输效率提升提供技术增长点。

最近我国完善了空间太阳能电站的发展设想，提出了4个阶段的空间验证和建设计划，对各阶段微波能量传输系统的性能也做了规定，转换、传播和收集等环节的效率是微波能量传输技术关注的核心问题。超表面在红外、声学、电磁、光学等领域都焕发出勃勃生机，也可以用于微波能量收集，但传统的周期性超表面遇到一些问题。非均匀序整流超表面是实现高效微波整流的重要技术途径。.本项目从基础理论和应用基础的角度开展3个方面的研究，首先开展非均匀序电磁超表面建模和分析理论的研究；然后开展非均匀序微波整流超表面建模及其分析；最后建立非均匀序微波整流超表面一体化设计方法。经过4年的研究取得如下成果：①基于表面阻抗理论，结合描述“序”的具体参数，提出构建非均匀序电磁超表面的思想，并以此为依据研究了水基吸波超表面，该超表面在45°入射角以内吸收率均高于90%；②研究了吸波超表面非均匀序设计对吸波特性的影响，仿真和测试表明，非均匀序吸波超表面的吸收率收到的影响非常微弱，在4%以内；③结合整流电路，分别以超表面两侧的表面阻抗和端口阻抗匹配为原则，建立了非均匀序整流超表面模型和一套适用于整流超表面的仿真分析方法。④依据上述原则提出了统一面阻抗的整流超表面设计方法，设计并研制了C频段2m口径整流超表面，其接收整流总效率达到49%；⑤提出了全反射、全透射、全吸收可切换的多功能超表面，不同状态下吸收率可达85%，反射系数可达0.893，透射系数可达0.9。项目研究期间共发表期刊论文32篇，会议论文8篇，出版著作2部，申请专利9项，分别培养博士研究生3名和硕士研究生8名。.本项目拓展了超表面形态的内涵，从周期性均匀序拓展到非均匀序，并针对整流应用，建立了统一波阻抗的非均匀序整流超表面模型和场路融合的分析方法，解决了从基础理论到仿真分析，再到设计试验的一系列问题。