兆赫兹美特材料及其对无线电能传输系统中电磁场的调控机理研究

The main purpose of our project is to investigate the properties of MHz metamaterial, as well as its influence on the electromagnetic field within wireless electrical energy transfer system. Our study focuses on the following three points: a) properties of MHz metamaterial and related electromagnetic tunneling effect, b) influence of MHz metamaterial on electromagnetic field distribution, c) prototype design of wireless electrical energy transfer system based on MHz metamaterial. Through the above mentioned investigations, we hope to make clear the following key problems: a) the basic theory and design principle about MHz metamaterial, b) the tunneling mechanism of electromagnetic wave based on MHz metamaterial with long propagating distance and high efficiency, c) the modulating mechanism on the electromagnetic field distribution during wireless energy transfer by MHz metamaterial. The distinguishing feature of our study is the combination of some novel concepts like gradient, dispersive metamaterial, and the detailed application of wireless electrical energy transfer. By utilizing the electromagnetic tunneling effect occurring in MHz metamaterial, highly efficient wireless energy transfer can be achieved at a relatively long distance. Moreover, it is also convenient to control the electric or magnetic field within the wireless energy transfer system independently by MHz metamaterial. Our investigation will not only benefit the basic theory of MHz metamaterial and wireless electrical energy transfer technology, but also be helpful to its realistic applications in our daily life.

本申请课题将围绕兆赫兹美特材料及其对无线电能传输系统中电磁场的调控机理展开研究。研究重点集中在兆赫兹美特材料及其中的电磁隧穿现象研究、兆赫兹美特材料对电磁场调控机理的研究，以及基于兆赫兹美特材料的无线电能传输原理性器件的设计等三个方面。通过上述研究工作，我们拟解决以下关键问题：（1）兆赫兹美特材料的基本原理与设计方法。(2) 基于兆赫兹美特材料的高效中远距离电磁隧穿机制。(3)兆赫兹美特材料对电磁场调控机理。本课题的特色在于将国际电磁学领域的一些前沿概念，如梯度、高色散美特材料，与无线电能传输这一具体技术应用相结合，利用其中的电磁隧穿效应来实现中远距离的高效无线电能传输。此时，可通过对美特材料的参数设计来实现无线电能传输过程中电磁场成分的调控。其结果不仅有利于兆赫兹美特材料及无线传能基本理论的发展，同时也有利于推动该技术在日常环境中的实际应用。

在项目执行过程中，共发表论文20余篇，其中SCI收录19篇，EI收录2篇(作者识别号(ResearcherID): K-8701-2012)。SCI及EI论文大多发表在Appl. Phys. Lett., Phys. Rev.系列，Opt. Lett.,电工技术学报等国内外应用物理、电磁学方面的著名杂志上。申请了6项国内专利，其中2项已授权，2项已公开。2015年磁场均匀化方面的论文被www.PHYS.org，World Industrial Reporter等国际主流科技网站广泛转载近4000次。.1. 进一步完善了了电磁等效参数的近场表征方法，并建设了相关计算仿真和近场实验平台。我们发展了一套基于磁场近场感应的等效电磁参数表征方法。基于这一方法，我们开发了基于有限元方法的计算仿真平台，并建立了以低频矢量网络分析仪、信号源、示波器，以及多种探头（包括电流、电压、功率及场强）为基础的较完善的实验测试平台，测试频率范围从5kHz-300MHz，同时支持测试功率上限100W。.2. 提出了将美特材料用于无线电能传输中近场调控的一些新概念、新机理。主要有以下一些发现。.2.1 基于美特材料的新型无线电能近场传输模式。这种基于电磁隧穿效应的传输方式在中远距离（1~30m）时仍然有效，为中远距离的高效无线电能传输提供了一种可能的实现方式。相关结果发表在电工技术学报。.2.2利用美特材料对无线电能传输过程中的电、磁场成分进行调控。通过调节两种材料电、磁等效参数的相对变化，可以使得隧穿结构中的电磁场在很大的范围内发生变化。.2.3利用深亚波长磁美特材料对无线电能传输过程中的磁场近场空间分布进行调控，实现了磁场的均匀化及定向聚焦。均匀磁场对于解决大面积、多终端，或者如电动汽车、手机等移动负载的动态充电等实际问题都十分有利。相关工作2015年发表在欧洲应用物理方面的著名期刊Europhysics Letter，并被www.phys.org，World Industrial Reporter等国际主流科技网站广泛转载近4000次。(phys.org上的专栏文章链接http://phys.org/news/2015-04-wireless-power-metamaterials.html)