电磁超材料用于提升无线输电系统的传输效率和屏蔽性能的研究

发布时间：2020-08-14 20:24

【摘要】：磁谐振式无线输电技术具有供电距离远、传输效率高等优点,被广泛应用于电动汽车、传感器件、医疗器械和家用电器等领域。本文围绕无线输电系统综合性能提升问题,开展了负磁和近零磁导率超材料的结构设计及其应用研究,通过理论分析、数值模拟和实验验证等方法,研究了超材料在无线输电系统中提升传输效率和降低磁场泄露的性能,从而实现双重功效。论文主要研究内容如下:(1)设计了等效磁导率在13.56MHz时为负值和近零值的方形螺旋谐振环的超材料,利用高频电磁仿真软件建模,通过反演法提取超材料的等效电磁参数,为设计性能优异的负磁和近零磁导率超材料提供技术支撑。(2)搭建了工作频率为13.56MHz的无线输电系统实验装置,研究了负磁导率超材料加载位置和偏移对传输效率的影响,发现负磁超材料与线圈轴对称放置且位于系统中间位置时效率最佳;研究了负磁超材料对于系统不同传输距离时传输效率的变化规律,当传输距离为40cm时,系统的传输效率提升了16.79%。(3)构建了近零磁导率超材料放置在无线输电系统侧面的物理模型并搭建相应的实验系统进行验证,对系统的传输效率和系统屏蔽性能进行了分析。实验测量结果表明,近零磁导率超材料能够降低系统的磁场泄露程度,距离接收线圈25cm处,磁场强度平均衰减率为58.24%;改变与接收线圈之间的距离,发现距离越近屏蔽效果越好,但对系统的传输效率有一定的影响,而距离大于20cm时,对传输效率的影响不明显。(4)研究了加载负磁和近零磁导率超材料对无线输电系统总体性能的影响,结果表明两类超材料的联合使用,既能提升传输效率又能削弱电磁泄露,在传输距离40cm时,负磁超材料居中放置,传输效率提高了12.06%,近零磁导率超材料与发射、接收线圈的距离为25cm时,磁场强度分别降低了62.09%和25.73%。本工作拓展了超材料在MHz波段的电磁特性分析,并成功应用于无线输电技术的电磁屏蔽,有力地提升了系统的综合性能。研究成果为促进磁谐振式无线电能传输技术的实用化,提供了可行的技术解决方案。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM724;O441
【图文】：

等效磁导率,左手,材料,磁导率

多的领域将会取得重大突破。和近零磁导率超材料与无线输电技术和近零磁导率超材料的发展现状材料的概念早在20 世纪60 年代已被苏联科学家 Veselago 预测界中始终没有发现天然的左手材料，在以后的 30 年里也没有 2000 年，美国加利福尼亚大学分校的 D. R. Smith 等利用金属进行组合排布实现了首个双负的超材料，即左手超材料[7-8示。相继 Pendry[9-12]等人进一步探究了负折射率效应，并从理模型的机理。另外，Pendry 指出左手超材料可以作为完美透波穿过透镜时显著增强。Pendry 提出的两种结构组合可实现在双负的特性，如图 1-1（b）和（c）所示。因此通过对结构的导率为-1 甚至为 0 的特殊电磁超材料具有一定的可行性。

频谱,纳米颗粒,磁导率

华中科技大学硕士学位论文材料的研究进一步向纵向发展，对于超材料的设计扩展到电磁波的各个波段，并取得突飞猛进的发展。2006 年，A. Alù等人设计了等离子体纳米粒子组成的纳米包裹体，如图 1-2（a）所示，该等离子纳米粒子可以在可见区域表现出共振磁偶极子的基体响应，当包裹体进入到宿主介质中时，表现为在光学频率上具有等效的负磁导率特性[13]。2009 年，H. Němec 等人通过实验和理论证明介电超材料在 THz 频谱区域具有可调的有效负磁导率范围，该超材料可以连续覆盖大范围的 THz 频率（0.2-0.36THz）,为主动操纵毫米和亚毫米光束开辟一条道路[14]，如图 1-2（b）所示。清华大学的 Qian Zhao 等人证明了一种由向列相液晶浸润的周期性阵列组成的开口谐振环组成可调负磁导率超材料，其结构如图 1-2（c）所示，通过施加电场会改变 LC 导电性的排列改变结构的介电常数，从而动态调整超材料的负磁导率，数值模拟表明，在电场作用下，磁导率为负的频率范围可以动态调节并扩大约 200MHz[15]。

材料结构,输电系统

图 1-3 （a）双层金属片超材料结构[17]（b）金属立方体组成的 μ 近零的超材料[18].2 中远距离无线输电系统发展现状早在 19 世纪末，美国科学家 Nikola Tsala 在哥伦比亚世博会上首次基于原理，在没有电线连接的情况下使得灯泡被点亮，证明了无线传输的可行，由于技术和科研资金的限制，在后续相当长时间一直没有突破性进展直到 2006 年和 2007 年[19-20]，美国麻省理工学院（MIT）的马林.索尔贾的科研小组依据磁共振原理搭建了磁耦合无线输电系统，传输效率在线离为 2 米时达到了 60%，引起国内外的研究热潮。如图 1-4 所示。

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