發(fā)布時(shí)間：2017-10-12 07:01

  本文關(guān)鍵詞：集成人工電磁超材料的高效無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)研究

  更多相關(guān)文章： 電磁超材料 負(fù)磁導(dǎo)率 無(wú)線(xiàn)能量傳輸 磁耦合諧振

【摘要】：人工電磁媒質(zhì),也被稱(chēng)為電磁超材料(Metamaterials),它是指根據(jù)電磁學(xué)理論由人工設(shè)計(jì)出、具有許多常規(guī)媒質(zhì)不具備的奇異特性的人工媒質(zhì)。本文根據(jù)人工電磁媒質(zhì)的設(shè)計(jì)理論,設(shè)計(jì)了一種高度亞波長(zhǎng)小型化的磁負(fù)超材料單元,并將其組成陣列,應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)中;又從理論上分析了磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的工作機(jī)理,研究了不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的傳輸特性的影響,將所設(shè)計(jì)人工電磁媒質(zhì)陣列應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)中,提高了傳輸?shù)男屎途嚯x;最后增加了對(duì)多發(fā)射諧振器和多接收諧振器組成的無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)(MTMR-WPT)的研究,并研究增加電磁超材料對(duì)系統(tǒng)的影響。本文的主要研究工作包括以下方面:首先,設(shè)計(jì)了一種在介質(zhì)基板兩面都刻蝕平面螺旋結(jié)構(gòu)的負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁媒質(zhì),其波長(zhǎng)與單元尺寸比大于307,實(shí)現(xiàn)了亞波長(zhǎng)小型化的特點(diǎn)。為應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)中,將單元分別組成4?4、6?6、8?8和10?10的陣列,通過(guò)仿真驗(yàn)證,其磁負(fù)特性和諧振頻率與所設(shè)計(jì)的保持一致。其次,基于磁耦合諧振的原理,分析并設(shè)計(jì)出無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng),并對(duì)系統(tǒng)中主要參數(shù)進(jìn)行了分析。通過(guò)改變線(xiàn)圈匝數(shù)、螺距、線(xiàn)圈寬度、基板介電常數(shù)和厚度等不同參數(shù),觀察系統(tǒng)的反射系數(shù)S11、傳輸系數(shù)S21以及傳輸效率η等特征量,得到系統(tǒng)的變化規(guī)律,并優(yōu)化了傳輸系統(tǒng)原型。接下來(lái)通過(guò)改變收發(fā)諧振器間的距離變化和空間位置變化,研究出系統(tǒng)的響應(yīng)變化規(guī)律以及匹配的條件。通過(guò)將接收諧振器在其所在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn),繞著坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)以及繞著發(fā)射諧振器旋轉(zhuǎn),并且在這三種情況下分別增加相應(yīng)的匹配電路,使得收、發(fā)諧振器達(dá)到諧振狀態(tài),然后對(duì)比傳輸系數(shù)S21以及傳輸效率η等,得出系統(tǒng)的傳輸特性的變化規(guī)律。第三,將之前設(shè)計(jì)的人工電磁媒質(zhì)陣列集成在磁諧振耦合無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)中,探索電磁超材料對(duì)于能量傳輸?shù)挠绊�。通過(guò)對(duì)比加載人工電磁媒質(zhì)前后,系統(tǒng)在匹配狀態(tài)下的能量傳輸效率,可以看出加載人工電磁媒質(zhì)對(duì)于能量傳輸效率有提高作用,其原理主要是由于材料的磁負(fù)特性,磁場(chǎng)穿過(guò)超材料后有匯聚的作用。分別使用4?4、6?6、8?8和10?10的陣列,置于無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)中,可以看出不同陣列大小產(chǎn)生的提高作用不同。由于人工電磁媒質(zhì)有損耗,因此不是陣列越大對(duì)傳輸效率的提高就越強(qiáng),選取合適的陣面大小也很重要。增加兩層人工電磁媒質(zhì)材料在無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)中,可以看出增加兩層后,系統(tǒng)的效率提高更多,有效傳輸距離也更遠(yuǎn)。第四,從理論分析出發(fā),設(shè)計(jì)了一種單個(gè)發(fā)射諧振器,多個(gè)接收諧振器的無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng),通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)匹配,可以達(dá)到將能量同時(shí)傳遞給多個(gè)接收諧振器。將人工電磁媒質(zhì)材料加入到該無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)中,可以看出其對(duì)系統(tǒng)的傳輸效率也是有提高的作用。
【關(guān)鍵詞】：電磁超材料 負(fù)磁導(dǎo)率 無(wú)線(xiàn)能量傳輸 磁耦合諧振
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TB34;TM724
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 符號(hào)對(duì)照表13-14
• 縮略語(yǔ)對(duì)照表14-17
• 第一章 緒論17-25
• 1.1 課題研究的背景和意義17-18
• 1.2 所研究課題的發(fā)展以及現(xiàn)狀18-22
• 1.2.1 人工電磁媒質(zhì)的發(fā)展及現(xiàn)狀18
• 1.2.2 無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀18-21
• 1.2.3 基于人工電磁媒質(zhì)的無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)介紹21-22
• 1.3 本文主要內(nèi)容和安排22-25
• 第二章 人工電磁媒質(zhì)的機(jī)理分析25-35
• 2.1 人工電磁媒質(zhì)的概述25
• 2.2 電磁超材料的發(fā)展及現(xiàn)狀25-27
• 2.3 負(fù)折射率電磁超材料理論27-29
• 2.4 小型化MNG材料的設(shè)計(jì)29-32
• 2.5 本章小結(jié)32-35
• 第三章 無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的機(jī)理分析35-47
• 3.1 無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的基本工作原理35
• 3.2 對(duì)磁諧振耦合無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的理論分析35-44
• 3.2.1 用耦合模理論分析系統(tǒng)35-40
• 3.2.2 用經(jīng)典電路理論分析系統(tǒng)40-43
• 3.2.3 運(yùn)用微波網(wǎng)絡(luò)理論分析系統(tǒng)43-44
• 3.3 頻率分裂現(xiàn)象的分析44-45
• 3.4 本章小結(jié)45-47
• 第四章 磁諧振無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)方案分析47-69
• 4.1 諧振器結(jié)構(gòu)的選擇47-49
• 4.2 諧振器參數(shù)變化對(duì)性能的影響49-56
• 4.2.1 改變螺旋寬度49-50
• 4.2.2 改變螺旋間距50-52
• 4.2.3 改變介質(zhì)基板的影響52-55
• 4.2.4 改變螺旋線(xiàn)圈的匝數(shù)55-56
• 4.3 收發(fā)諧振器之間距離的影響56-60
• 4.4 方向?qū)鬏數(shù)挠绊?/span>60-67
• 4.4.1 接收諧振器繞軸旋轉(zhuǎn)對(duì)傳輸?shù)挠绊?/span>61-63
• 4.4.2 接收諧振器在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)對(duì)傳輸?shù)挠绊?/span>63-64
• 4.4.3 接收諧振器繞發(fā)射諧振器旋轉(zhuǎn)對(duì)傳輸?shù)挠绊?/span>64-65
• 4.4.4 接收諧振器繞沿X軸方向平移對(duì)傳輸?shù)挠绊?/span>65-67
• 4.5 本章小結(jié)67-69
• 第五章 加載人工電磁媒質(zhì)以及單發(fā)多收能量傳輸系統(tǒng)分析69-93
• 5.1 引言69
• 5.2 加載一層電磁超材料對(duì)無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的影響69-75
• 5.2.1 人工電磁媒質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)圖69-74
• 5.2.2 一層電磁超材料位置變化對(duì)無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的影響74-75
• 5.3 加載兩層電磁超材料對(duì)無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的影響75-77
• 5.4 單發(fā)多收型無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)分析77-81
• 5.5 單發(fā)多收型無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)81-85
• 5.5.1 單發(fā)雙收型無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)81-82
• 5.5.2 單發(fā)三收型無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)82-83
• 5.5.3 加載超材料的單發(fā)雙收型無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)83-85
• 5.6 實(shí)測(cè)示意圖及測(cè)量結(jié)果85-90
• 5.7 本章小結(jié)90-93
• 第六章 總結(jié)與展望93-95
• 參考文獻(xiàn)95-99
• 致謝99-101
• 作者簡(jiǎn)介101-102

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