基于新型人工电磁媒质的高效无线能量传输与收集系统研究

Electromagnetic metamaterials are artificial materials engineered to have novel concepts and properties proposed in recent years. The presence of metamaterials provides a broad space for people to design controllable permittivity and permeability materials, which also provides a new method to regulate the electromagnetic wave transmission. The wireless power transfer and harvesting (WPTH) is a significant technology for future development of science, technology, and new energy, which has broad application prospects. This project takes the proper access to these two emerging research fields to study the key theories and technologies of an efficient wireless power transfer and harvesting based on metamaterials. On one hand, we will carry out the research on miniaturized metamaterial antennas, superlens, electromagnetic wave concentrator designs, and wireless energy tunneling effect theory. On the other hand, we will give an in-depth insight into the mechanism of magnetic resonance wireless power transfer and RF micro-energy harvesting. Finally, we will develop the integrated technology research of metamaterial-based antennas and structures with the wireless power transfer and harvesting system. The project aims to solve the core problem of metamaterial applications to the multiple input and multiple output (MIMO) wireless power transfer and harvesting system. An experimental demonstration MIMO-WPTH system will be set up in this project. In order to meet the development trend of wireless mobile terminals and the internet of things, this project will provide innovative solutions to realize the integration of efficient and multi-function wireless power transfer and harvesting system using metamaterials.

新型人工电磁媒质（Metamaterials）是近年来提出的一种新概念和新材料，它的出现为人们设计可控的介电常数和磁导率材料提供了广阔的空间，为调控电磁波的传输提供了新的方法和手段。无线能量传输与收集技术亦是引领未来科技发展和新能源开发的一项重要科学技术，具有广阔的应用前景。本课题抓住两个新兴领域的切入点，深入开展基于电磁超材料的高效无线能量传输与收集关键技术研究。通过小型化超材料天线、超棱镜和电磁波集中器的设计以及能量隧穿效应理论研究、磁谐振无线能量传输与射频微能量收集的机制分析、超材料结构与能量传输/收集的集成一体化技术研究，探讨解决超材料在多输入多输出无线能量传输和收集系统应用设计中的核心问题，并研制基于电磁超材料的MIMO无线能量传输与收集演示验证系统。为适应无线移动终端和物联网的发展趋势，实现多功能综合一体化无线能量传输与收集系统提供创新解决方案。

新型人工电磁媒质（Metamaterials, 电磁超材料）是近年来提出的一种新概念和新材料，它的出现为人们设计可控的介电常数和磁导率材料提供了广阔的空间，为调控电磁波的传输提供了新的方法和手段。无线能量传输与收集技术亦是引领未来科技发展和新能源开发的一项重要科学技术，具有广阔的应用前景。本课题抓住两个新兴领域的切入点，深入开展基于电磁超材料的高效无线能量传输与收集关键技术研究,在以下几个方面取得重要进展：(1)磁耦合谐振无线能量传输理论模型与关键参数特性研究，提出近零折射率材料无线能量传输新机理;(2)电磁波环境能量的空时频域分布特性研究，提出基于电磁超表面无线能量收集新技术，为物联网无线传感器自供电技术奠定基础;(3) 多层频率选择表面超材料的设计、综合与应用研究，开发了高亚波长超材料的设计及其在无线能量传输系统的新应用;(4) 平面聚焦反射超表面的高效微波能量传输研究，建立多源多焦MIMO无线能量传输系统新模型;(5) 基于电磁超材料的新型小型化、宽频/多带天线研究，开发在人体可植入环境的无线功率传输系统新应用;(6) 基于人工微结构单元设计，本项目还拓展研究了OAM 电磁涡旋场的物理机理和产生新方法。本项目研究成果共发表学术论文45篇，在该领域的国际权威期刊Proceedings of the IEEE, IEEE Trans. Industrial Electronics (中科院一区TOP期刊), IEEE Trans. AP（中科院二区TOP期刊）, Applies Physics Letters, Journal of Apply Physics，IEEE AWPL等发表相关学术论文26篇，重要国际会议论文16篇，国内核心期刊论文3篇。SCI检索26篇，EI检索38篇，授权中国发明专利7项。课题组成员共参加国际国内学术交流会议20人次。共有5位博士研究生及12名硕士研究生学位论文的部分内容接受本项目的资助和拉动，其论文成果与本课题紧密联系。在项目执行期间，项目负责人还荣获2016年第五届西安青年科技人才奖和第十一届陕西青年科技奖。所培养的两位博士研究生论文分别获得2018年陕西省优秀博士论文奖和中国电子教育学会优秀博士论文奖。本项目的成果为建立基于新型人工电磁媒质的高效无线能量传输与收集系统奠定理论基础，具有重要的科学价值和广阔的应用前景。