电磁场中的近场特性及其工程应用研究

As well known, the electromagnetics (EM) and the wireless technology have focused only on the characteristics of the far field for a long time due to the traditional applications shch as the wireless communications and the radar detections. However, the fast development of the near field connection technique (RFID and mobile payment, for example) and the near field detection technique (the medical detection and the EM diagnosis,for example) made the EM society be on to that the research on the near field theory and technology is not satisfactory and must be improved. This project will focus on the scientific challenges and the key techniques of the electromagnetic near field problems and initiate the inovative research work. The project will study the accurate modeling and efficient numerical solution of the EM near fields by using the vector integral equations, and present an approach for evaluating the accuracy of the numerical solutions. Through theoretical and numerical analysis, the project will evaluate the distribution of the amplitude, the phase, the polarization, the disciplinarian of the coupling, transmittion and scattering of the electromagnetic near-field. This project will also study the novel techniques for the efficient excitation in the limited space and the coupling-transmittion approach of the low frequency near fields in the typical environments, the control of the field intensity distribution for the stable near field connection, and the design of reducing the direct coupling and improving the azimuth resolution for efficient near field detection.

众所周知，电磁学和无线技术由于通信与雷达等传统应用牵引，长期以来一直聚焦于远场特性的研究。但近年来以无线身份识别和移动支付为代表的近场链接和以生物医学成像为代表的近场探测等应用的发展，使学术界深切意识到电磁近场理论与技术研究的薄弱和亟待提升的迫切需求。本项目围绕电磁近场理论和应用中的科学问题和关键技术展开创新研究：基于电磁场矢量积分方程，研究电磁近场的精确建模和高效数值求解，并提出近场数值解精度评估的新方法；基于所研发的数值分析程序，研究电磁近场的物理特征，包括幅度、相位分布和极化特征，以及近场耦合传输和近场散射的一般规律；基于近场典型环境，提出空间受限条件下低频近场有效激励和高效耦合传输的新方法；针对近场链接的典型需求，研究近场场强分布调控方法，提出确保电磁耦合稳定性和安全性的新途径；针对近场探测的典型需求，提出有效抑制直耦信号以及实现方位向分辨性能的理论原理和设计方法。

本项目针对低频近场的理论建模和数值方法，低频近场的辐射、耦合与传输，复杂非均匀介质中无线近场能量传输，基于近场辐射与耦合的天线宽带设计和阵列近场聚焦新技术等方面展开研究。主要理论创新成果包括：.1.提出增强型混合场积分方程、基于新型Loop-Flower基函数的改进型多分辨预条件及叠层多分辨基函数等用于低频近场数值建模的创新思想，改善了低频近场数值解的精度、稳定性和迭代收敛特性，并用来建立了与天线罩共形的频率选择表面的高效数值模型等。.2.提出了复杂非均匀介质中基于单根金属管线的低频近场激励—被导电磁传播—多中继器接力的新型传播模式，以拓展传输距离；针对多中继传输须保持较好信噪比这一关键挑战,提出了多中继器的协同传输新理论和新技术，将多中继传输中的多径干扰变为分集增益,使每一接力区段内的信噪比提升达6dB,为多中继传输的工程实现打下了坚实的技术基础。.3.提出了对人体内固定或移动式植入器件连续无线充电的自适应电磁聚焦新技术，以提高无线传能效率。该技术基于电磁互易原理和交互式工作方式，不依赖于给定的人体模型，也不论器件是否有持续的位移，都能够对复杂的多径传播分量实现自适应聚焦，包括环境自适应、空间位置自适应、极化自适应和信道自适应，从而大大提升了无线功率传输效率。.4.提出了利用天线臂间近场耦合来拓展双极化偶极天线的工作带宽；提出了H面频扫和E面相扫的低成本聚焦波束快速扫描的天线阵列，它具有近场聚焦和波束扫描功能，可用于微波近场成像；提出了基于耦合贴片的子阵级相控阵结构，用于减少有源通道，以及降低馈电网络复杂度。.项目执行期内，发表（录用）期刊论文74篇，标注率>95%。申请国家发明专利9项；培养博士5名，硕士10名；成功举办国际性学术会议4次；获教育部科技进步二等奖一项。此外，还获得后续技术研发项目资助一项：（国家重点研发计划—深海专项课题：随钻电磁波高速率传输技术研究）。