基于电磁超材料的无线电能传输效率增强研究

发布时间：2017-11-13 01:11

  本文关键词：基于电磁超材料的无线电能传输效率增强研究

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【摘要】：电磁超材料(Electromagnetic Metamaterial,EMM)是指具有超常电磁特性的新奇人工复合材料,其特殊的人工结构决定材料的物理性质,而非取决于所用材料的本征性质。目前,超材料已经成为电磁学研究领域的热点问题。超材料对电磁波的负折射以及聚焦效应使得超材料的制作不仅仅是为了研究其电磁特性,而更多的是希望将其应用到生产生活实践中。由于其特殊的电磁特性以及无线电能系统的传输原理,在计算机仿真软件和电磁超材料设计理论的基础上,设计了用于磁耦合谐振式无线电能传输系统的具有极亚波长结构的磁各向异性电磁超材料,并通过仿真软件对其电磁特性进行仿真研究和实物模拟,从磁场云图和实验效果中可以清晰的看到超材料的运用使得无线电能系统的磁场显著增强。从理论出发对磁耦合谐振式无线电能传输的原理和工作方式做了详细的说明,并对电磁超材料的分类和特殊电磁特性做了数学模型的分析。设计了可使用于磁谐振式无线电能传输系统的螺旋线圈,其谐振频率在15.46MHz。通过CST仿真软件,研究发现两螺旋线圈组合的传输系统中,螺旋线圈之间的极化作用使得组合的谐振频率和品质因数都会发生了变化。当两线圈中间再加入第三个相同的中继线圈时,由于交叉耦合作用,不仅谐振频率发生变化,还会出现频率分裂现象。通过Comsol数值仿真软件,模拟了磁偶极子和电偶极子分别发出的磁场和电场在通过各向同性和各向异性电磁超材料后磁场和电场的变化规律和分布情况。数值仿真结果发现各向同性和各向异性电磁超材料在对电磁波的聚焦效果上有着明显的区别。设计了一种基于FR4基板的双面螺旋极亚波长结构电磁超材料,其波长和结构尺寸之比达到了737,具有极亚波长特性。通过CST仿真实验,提取其在磁场垂直入射时的散射参数,并使用Smith反推计算得到了其磁导率,研究表明其在13.56 MHz附近能够实现法线方向磁导率为-1的各向异性超材料。通过Maxwell仿真软件对无线传输系统做实物仿真,以及制备实验板用于无线电能传输系统中,分别得到磁场和传输效果对比图说明该电磁超材料可以有效的提高磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率。
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM724

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