High-Efficiency Microwave Wireless Power Transmission via Reflective Phase Gradient Metasurfaces and Surface Wave Aggregation

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作者
Han Xiong,Qiang Yang,Yizhe Huang,Jia-Hao Deng,Ben‐Xin Wang,Huaiqing Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (44): 60189-60196
标识
DOI:10.1021/acsami.4c11720
摘要

Microwave Wireless Power Transfer (MWPT) technology is crucial for emergency power supply during natural disasters and powering off-grid equipment. Traditional antenna arrays, however, suffer from low energy capture efficiency, difficult impedance matching, complex synthetic networks, and intricate manufacturing processes. This paper introduces a microwave energy receiver design utilizing Reflective Phase Gradient Metasurfaces (R-PGMs) and surface wave energy convergence technology. The design leverages the effective plane wave-to-surface wave conversion capability of R-PGMs to transform incident microwave energy into a surface wave mode, which is then efficiently harvested using a circular energy convergence array before being output to a coupling port. By optimizing R-PGM parameters, an ideal 60° phase gradient distribution is achieved, facilitating the focus of surface wave energy via dispersion characteristics. These components are integrated into a hybrid antenna array, complemented by a matched energy output port structure. Numerical simulations show that this array can efficiently convert microwave energy from plane waves to surface waves, achieving a conversion efficiency of 85.32% and a collection efficiency of 68.26%. Experimental results corroborate these findings, with peak energy collection efficiency reaching 64.68% at 5.8 GHz and an RF-DC conversion efficiency of 42%, confirming the design's efficacy. Compared to conventional methods, this design simplifies the system by avoiding complex combining networks and significantly enhances the efficiency of microwave MWPT.
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