發(fā)布時間：2020-08-14 20:24

【摘要】：磁諧振式無線輸電技術(shù)具有供電距離遠、傳輸效率高等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于電動汽車、傳感器件、醫(yī)療器械和家用電器等領(lǐng)域。本文圍繞無線輸電系統(tǒng)綜合性能提升問題,開展了負磁和近零磁導(dǎo)率超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其應(yīng)用研究,通過理論分析、數(shù)值模擬和實驗驗證等方法,研究了超材料在無線輸電系統(tǒng)中提升傳輸效率和降低磁場泄露的性能,從而實現(xiàn)雙重功效。論文主要研究內(nèi)容如下:(1)設(shè)計了等效磁導(dǎo)率在13.56MHz時為負值和近零值的方形螺旋諧振環(huán)的超材料,利用高頻電磁仿真軟件建模,通過反演法提取超材料的等效電磁參數(shù),為設(shè)計性能優(yōu)異的負磁和近零磁導(dǎo)率超材料提供技術(shù)支撐。(2)搭建了工作頻率為13.56MHz的無線輸電系統(tǒng)實驗裝置,研究了負磁導(dǎo)率超材料加載位置和偏移對傳輸效率的影響,發(fā)現(xiàn)負磁超材料與線圈軸對稱放置且位于系統(tǒng)中間位置時效率最佳;研究了負磁超材料對于系統(tǒng)不同傳輸距離時傳輸效率的變化規(guī)律,當傳輸距離為40cm時,系統(tǒng)的傳輸效率提升了16.79%。(3)構(gòu)建了近零磁導(dǎo)率超材料放置在無線輸電系統(tǒng)側(cè)面的物理模型并搭建相應(yīng)的實驗系統(tǒng)進行驗證,對系統(tǒng)的傳輸效率和系統(tǒng)屏蔽性能進行了分析。實驗測量結(jié)果表明,近零磁導(dǎo)率超材料能夠降低系統(tǒng)的磁場泄露程度,距離接收線圈25cm處,磁場強度平均衰減率為58.24%;改變與接收線圈之間的距離,發(fā)現(xiàn)距離越近屏蔽效果越好,但對系統(tǒng)的傳輸效率有一定的影響,而距離大于20cm時,對傳輸效率的影響不明顯。(4)研究了加載負磁和近零磁導(dǎo)率超材料對無線輸電系統(tǒng)總體性能的影響,結(jié)果表明兩類超材料的聯(lián)合使用,既能提升傳輸效率又能削弱電磁泄露,在傳輸距離40cm時,負磁超材料居中放置,傳輸效率提高了12.06%,近零磁導(dǎo)率超材料與發(fā)射、接收線圈的距離為25cm時,磁場強度分別降低了62.09%和25.73%。本工作拓展了超材料在MHz波段的電磁特性分析,并成功應(yīng)用于無線輸電技術(shù)的電磁屏蔽,有力地提升了系統(tǒng)的綜合性能。研究成果為促進磁諧振式無線電能傳輸技術(shù)的實用化,提供了可行的技術(shù)解決方案。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM724;O441
【圖文】：

多的領(lǐng)域?qū)〉弥卮笸黄�。和近零磁�?dǎo)率超材料與無線輸電技術(shù)和近零磁導(dǎo)率超材料的發(fā)展現(xiàn)狀材料的概念早在20 世紀60 年代已被蘇聯(lián)科學(xué)家 Veselago 預(yù)測界中始終沒有發(fā)現(xiàn)天然的左手材料，在以后的 30 年里也沒有 2000 年，美國加利福尼亞大學(xué)分校的 D. R. Smith 等利用金屬進行組合排布實現(xiàn)了首個雙負的超材料，即 左手超材料[7-8示。相繼 Pendry[9-12]等人進一步探究了負折射率效應(yīng)，并從理模型的機理。另外，Pendry 指出左手超材料可以作為 完美透波穿過透鏡時顯著增強。Pendry 提出的兩種結(jié)構(gòu)組合可實現(xiàn)在雙負的特性，如圖 1-1（b）和（c）所示。因此通過對結(jié)構(gòu)的導(dǎo)率為-1 甚至為 0 的特殊電磁超材料具有一定的可行性。

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文材料的研究進一步向縱向發(fā)展，對于超材料的設(shè)計擴展到電磁波的各個波段，并取得突飛猛進的發(fā)展。2006 年，A. Alù等人設(shè)計了等離子體納米粒子組成的納米包裹體，如圖 1-2（a）所示，該等離子納米粒子可以在可見區(qū)域表現(xiàn)出共振磁偶極子的基體響應(yīng)，當包裹體進入到宿主介質(zhì)中時，表現(xiàn)為在光學(xué)頻率上具有等效的負磁導(dǎo)率特性[13]。2009 年，H. Němec 等人通過實驗和理論證明介電超材料在 THz 頻譜區(qū)域具有可調(diào)的有效負磁導(dǎo)率范圍，該超材料可以連續(xù)覆蓋大范圍的 THz 頻率（0.2-0.36THz）,為主動操縱毫米和亞毫米光束開辟一條道路[14]，如圖 1-2（b）所示。清華大學(xué)的 Qian Zhao 等人證明了一種由向列相液晶浸潤的周期性陣列組成的開口諧振環(huán)組成可調(diào)負磁導(dǎo)率超材料，其結(jié)構(gòu)如圖 1-2（c）所示，通過施加電場會改變 LC 導(dǎo)電性的排列改變結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)，從而動態(tài)調(diào)整超材料的負磁導(dǎo)率，數(shù)值模擬表明，在電場作用下，磁導(dǎo)率為負的頻率范圍可以動態(tài)調(diào)節(jié)并擴大約 200MHz[15]。

圖 1-3 （a）雙層金屬片超材料結(jié)構(gòu)[17]（b）金屬立方體組成的 μ 近零的超材料[18].2 中遠距離無線輸電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀早在 19 世紀末，美國科學(xué)家 Nikola Tsala 在哥倫比亞世博會上首次基于原理，在沒有電線連接的情況下使得燈泡被點亮，證明了無線傳輸?shù)目尚�，由于技術(shù)和科研資金的限制，在后續(xù)相當長時間一直沒有突破性進展直到 2006 年和 2007 年[19-20]，美國麻省理工學(xué)院（MIT）的馬林.索爾賈的科研小組依據(jù)磁共振原理搭建了磁耦合無線輸電系統(tǒng)，傳輸效率在線離為 2 米時達到了 60%，引起國內(nèi)外的研究熱潮。如圖 1-4 所示。

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本文編號：2793505