基于負磁超材料增強的無線能量傳輸研究.pdf

1、隨著各類消費電子、電動汽車及植入式醫(yī)療傳感器數量的快速增長，基于近場磁耦合諧振的無線能量傳輸(Wireless Power Transfer，WPT)因其有傳輸距離適中、效率相對較高及對生物體和環(huán)境影響較小的特點，近年來成為這個領域研究的熱點。如何提高能量傳輸效率，并解決效率隨距離增加而呈指數衰減的問題，是其中的關鍵點。解決這個問題，除了提高線圈的品質因數之外，就是對發(fā)射/接收端之間的磁場進行調控，以使更多的能量被傳輸到接收端。具有負折

2、射、倏逝波增強、完美透鏡等奇異物理特性的電磁超材料，有望解決這個電磁場近場調控的問題。本文主要研究磁導率為負的電磁超材料在WPT系統(tǒng)中的增強機制，并對加入不同類型負磁超材料板的系統(tǒng)傳輸特性規(guī)律進行了研究，設計并實現(xiàn)了一種基于不定磁導率超材料板增強的小型化低頻無線能量傳輸系統(tǒng)。
　　本文的主要內容如下：
　　首先，本文對典型的基于近場磁諧振式雙線圈WPT系統(tǒng)的電路進行了分析，并定義了其系統(tǒng)傳輸效率。通過采用磁偶極子近似模型，對

3、加入負磁超材料板后的系統(tǒng)互感計算公式進行了推導，并對該公式近似的約束條件進行了數值仿真與驗證。結果表明，當整個系統(tǒng)工作在深亞波長狀態(tài)下時，理論值和仿真結果符合的很好。
　　其次，本文通過引入互感耦合增強因子ρ，使用多物理場仿真軟件CMOSOL來對加入不同類型負磁超材料板下諧振線圈互感增強的效果進行了數值分析。對各向同性正定負磁超材料板的有限尺寸效應和損耗效應進行了總結，基于光學變換理論對各向異性正定的負磁超材料板尺寸壓縮特性進行了

4、研究。對不定磁導率超材料板的尺寸變化所造成的ρ的變化規(guī)律及諧振機制進行了總結分析。結果表明，利用不定磁導率超材料板的法布里-佩羅特共振效應，經過適當的設計，可以取得更好的增強效果。
　　最后，本文設計了一種具有低頻小型化亞波長特點的不定磁導率超材料，并通過仿真和實驗對照的方法對其電磁參數進行了反演分析。使用三維電磁仿真軟件CST對含有所設計不定磁導率超材料板的WPT系統(tǒng)進行仿真，并設計出相應的測試系統(tǒng)進行驗證。仿真結果和測試結果表