【摘 要】
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目前,生活中的充电方式大多为有线充电。有线充电在广泛使用的同时也存在一些弊端,例如线路复杂,电线容易老化等。为了寻求一种更安全且便捷的充电方式,无线能量传输技术应运而生。无线能量传输摆脱了导线的控制,提高了充电的安全性,同时也使充电更加灵活,广泛应用于特种设备以及一些智能产品的供电上。最早提出无线充电的概念是特斯拉,自此以后,越来越多的研究人员投入到无线充电技术中,使其成为了目前世界上研究的热点领
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目前,生活中的充电方式大多为有线充电。有线充电在广泛使用的同时也存在一些弊端,例如线路复杂,电线容易老化等。为了寻求一种更安全且便捷的充电方式,无线能量传输技术应运而生。无线能量传输摆脱了导线的控制,提高了充电的安全性,同时也使充电更加灵活,广泛应用于特种设备以及一些智能产品的供电上。最早提出无线充电的概念是特斯拉,自此以后,越来越多的研究人员投入到无线充电技术中,使其成为了目前世界上研究的热点领域。其中,磁耦合谐振式无线传能作为一种新型的无线传能方式,其利用近区场的高强度电磁耦合,通过谐振于同一频率的收发线圈实现有效且安全的电能输送。由于其可以实现中长距离、高功率且高效的能量传输,具有深远的研究价值。但目前为止,仍存在有许多技术瓶颈问题尚待解决。比如,磁耦合谐振式无线输电技术是以空气为媒质,通过磁场耦合的方式进行能量传输,由于线圈自身拓扑结构的限制,使得在远距离传输时线圈之间的耦合程度较低,导致系统的传输效率低,稳定性差;另外,磁耦合谐振式无线输电技术利用近场传能,近场的电磁强度高,一旦发生泄漏,会对人体健康以及其他电子设备的正常工作造成威胁。此外在应用方面,磁谐振无线传能方式可用于生物医疗中的植入式电子设备供电,但由于生物体的高介质损耗,导致传能效率较低。本文主要从如何提升磁场耦合以及如何屏蔽磁场泄露等两个方面进行深入研究,主要研究了以下几个方面:1.中继线圈、超表面等手段对系统传能效果提升的研究。磁谐振无线传能的传输效率对距离的变化比较敏感,一旦距离超出临界耦合距离,效率便会迅速下降。近年来随着研究的深入,中继线圈,超表面等成为了有效的增强磁场耦合的手段。本文首先研究了中继线圈对于增强磁场耦合的效果,定量地分析了中继线圈的位置对于传输性能的影响。此外,具有负磁导率的聚焦型超表面也是提升耦合效果的一种有效方法,聚焦型超材料能有效地聚焦磁场使接收端的磁场密度大幅增强,提升负载端接收到的电磁能量。本文在分析其工作原理的基础上,逐步经过了理论分析,电磁仿真,实验验证等步骤,提出了可将具有负磁导率的聚焦型超表面用于磁谐振式无线传能系统中,用来提高系统的传输效率。2.超表面对于磁场屏蔽效果的研究。磁耦合谐振式无线输电技术利用近场传能,其高场强特性使得能量在传输过程中电磁泄露严重,会对人体以及电子设备等造成潜在的威胁。本文分析了具有近零磁导率的屏蔽型超材料的工作原理,分析了在入射波斜入射到近零磁导率超材料板时,透射系数近似为零,表示在斜入射时没有磁场透过超材料板,理论上证明了超材料的屏蔽作用。最后通过仿真验证了当近零磁导率超材料板放置在收发线圈中时,由于其阻挡了磁场的传播,接收线圈的磁场大大衰弱,验证了近零磁超材料的屏蔽作用。3.应用于生物医疗的高效磁谐振式无线传能技术研究。目前,磁谐振式无线传能也应用于生物医疗中的植入式设备供电中。本文设计了一个双频段工作的小型化接收天线,以及一个工作于430MHz的外部发射线圈,搭建了一个工作于生物体植入环境的无线传能系统,经过仿真验证了整个系统的可行性。接下来进行了加工实测,实测结果与仿真结果基本一致;最后,设计了一个工作于430MHz的2×2单元的具有负磁导率的超表面阵列,合理调整超表面阵列加载的位置,可显著提升整个无线传能系统的效率。
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