集成人工电磁超材料的高效无线能量传输系统研究

发布时间：2017-10-12 07:01

  本文关键词：集成人工电磁超材料的高效无线能量传输系统研究

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【摘要】：人工电磁媒质,也被称为电磁超材料(Metamaterials),它是指根据电磁学理论由人工设计出、具有许多常规媒质不具备的奇异特性的人工媒质。本文根据人工电磁媒质的设计理论,设计了一种高度亚波长小型化的磁负超材料单元,并将其组成阵列,应用于无线能量传输系统中;又从理论上分析了磁耦合谐振式无线能量传输系统的工作机理,研究了不同参数对系统的传输特性的影响,将所设计人工电磁媒质阵列应用于无线能量传输系统中,提高了传输的效率和距离;最后增加了对多发射谐振器和多接收谐振器组成的无线能量传输系统(MTMR-WPT)的研究,并研究增加电磁超材料对系统的影响。本文的主要研究工作包括以下方面:首先,设计了一种在介质基板两面都刻蚀平面螺旋结构的负磁导率人工电磁媒质,其波长与单元尺寸比大于307,实现了亚波长小型化的特点。为应用于无线能量传输系统中,将单元分别组成4?4、6?6、8?8和10?10的阵列,通过仿真验证,其磁负特性和谐振频率与所设计的保持一致。其次,基于磁耦合谐振的原理,分析并设计出无线能量传输系统,并对系统中主要参数进行了分析。通过改变线圈匝数、螺距、线圈宽度、基板介电常数和厚度等不同参数,观察系统的反射系数S11、传输系数S21以及传输效率η等特征量,得到系统的变化规律,并优化了传输系统原型。接下来通过改变收发谐振器间的距离变化和空间位置变化,研究出系统的响应变化规律以及匹配的条件。通过将接收谐振器在其所在平面内旋转,绕着坐标轴旋转以及绕着发射谐振器旋转,并且在这三种情况下分别增加相应的匹配电路,使得收、发谐振器达到谐振状态,然后对比传输系数S21以及传输效率η等,得出系统的传输特性的变化规律。第三,将之前设计的人工电磁媒质阵列集成在磁谐振耦合无线能量传输系统中,探索电磁超材料对于能量传输的影响。通过对比加载人工电磁媒质前后,系统在匹配状态下的能量传输效率,可以看出加载人工电磁媒质对于能量传输效率有提高作用,其原理主要是由于材料的磁负特性,磁场穿过超材料后有汇聚的作用。分别使用4?4、6?6、8?8和10?10的阵列,置于无线能量传输系统中,可以看出不同阵列大小产生的提高作用不同。由于人工电磁媒质有损耗,因此不是阵列越大对传输效率的提高就越强,选取合适的阵面大小也很重要。增加两层人工电磁媒质材料在无线能量传输系统中,可以看出增加两层后,系统的效率提高更多,有效传输距离也更远。第四,从理论分析出发,设计了一种单个发射谐振器,多个接收谐振器的无线能量传输系统,通过调整系统匹配,可以达到将能量同时传递给多个接收谐振器。将人工电磁媒质材料加入到该无线能量传输系统中,可以看出其对系统的传输效率也是有提高的作用。
【关键词】：电磁超材料 负磁导率 无线能量传输 磁耦合谐振
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB34;TM724
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 符号对照表13-14
• 缩略语对照表14-17
• 第一章 绪论17-25
• 1.1 课题研究的背景和意义17-18
• 1.2 所研究课题的发展以及现状18-22
• 1.2.1 人工电磁媒质的发展及现状18
• 1.2.2 无线能量传输技术的发展及现状18-21
• 1.2.3 基于人工电磁媒质的无线能量传输技术介绍21-22
• 1.3 本文主要内容和安排22-25
• 第二章 人工电磁媒质的机理分析25-35
• 2.1 人工电磁媒质的概述25
• 2.2 电磁超材料的发展及现状25-27
• 2.3 负折射率电磁超材料理论27-29
• 2.4 小型化MNG材料的设计29-32
• 2.5 本章小结32-35
• 第三章 无线能量传输系统的机理分析35-47
• 3.1 无线能量传输系统的基本工作原理35
• 3.2 对磁谐振耦合无线能量传输系统的理论分析35-44
• 3.2.1 用耦合模理论分析系统35-40
• 3.2.2 用经典电路理论分析系统40-43
• 3.2.3 运用微波网络理论分析系统43-44
• 3.3 频率分裂现象的分析44-45
• 3.4 本章小结45-47
• 第四章 磁谐振无线能量传输系统方案分析47-69
• 4.1 谐振器结构的选择47-49
• 4.2 谐振器参数变化对性能的影响49-56
• 4.2.1 改变螺旋宽度49-50
• 4.2.2 改变螺旋间距50-52
• 4.2.3 改变介质基板的影响52-55
• 4.2.4 改变螺旋线圈的匝数55-56
• 4.3 收发谐振器之间距离的影响56-60
• 4.4 方向对传输的影响60-67
• 4.4.1 接收谐振器绕轴旋转对传输的影响61-63
• 4.4.2 接收谐振器在平面内旋转对传输的影响63-64
• 4.4.3 接收谐振器绕发射谐振器旋转对传输的影响64-65
• 4.4.4 接收谐振器绕沿X轴方向平移对传输的影响65-67
• 4.5 本章小结67-69
• 第五章 加载人工电磁媒质以及单发多收能量传输系统分析69-93
• 5.1 引言69
• 5.2 加载一层电磁超材料对无线能量传输系统的影响69-75
• 5.2.1 人工电磁媒质材料的结构图69-74
• 5.2.2 一层电磁超材料位置变化对无线能量传输系统的影响74-75
• 5.3 加载两层电磁超材料对无线能量传输系统的影响75-77
• 5.4 单发多收型无线能量传输系统分析77-81
• 5.5 单发多收型无线能量传输系统设计81-85
• 5.5.1 单发双收型无线能量传输系统设计81-82
• 5.5.2 单发三收型无线能量传输系统设计82-83
• 5.5.3 加载超材料的单发双收型无线能量传输系统设计83-85
• 5.6 实测示意图及测量结果85-90
• 5.7 本章小结90-93
• 第六章 总结与展望93-95
• 参考文献95-99
• 致谢99-101
• 作者简介101-102

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本文编号：1017282