WirelessPowerTransfer无限能量传输理论核心分析总结

第一章绪论现今，科技高速发展，知识迅猛爆炸，人类对电力的需求日益增加。

随着个人的移动通讯设备及各种电力客户端越来越向小而精的方向发展，“无线充电”这一概念被迅速地推向科学研究前沿。

很大程度上说，目前我们的绝大部分电器产品仍需要连接一跟电线才能进行高效的能量传输，在日常生活中会给人类生活带来许多的不便。

想象一下当无须电线即可充电的场景，就如同你的电脑找到一个无线网络一般那么的简单随意。

实际上，无线能量传输已经存在，如十九世纪末，特斯拉已经实现了无线能量传输，但其实现条件过于苛刻危险，所以并没有被人们所接收。

无线能量传输技术目前还处于起步阶段，因为它还存在一系列亟待解决的问题，其中最大的问题就是传输效率不高，比如大量能量被损耗甚至耗散如空气中，这不仅牵扯到一个能源利用的问题，也会对人类安全造成一定的伤害。

直到2007年，来自麻省理工学院的Marin Soljacic教授课题组在《科学》杂志上首次提出了一种高效的无线能量传输方式-磁谐振耦合无线能量传输（wireless power transfer via magnetic resonance），这一发现为无线能量传输领域的研究提供了无限的思考空间。

学者们为了进一步提高能量传输效率以及稳定性，研制了一大批工程上的优化器件与算法，例如各种新型的阻抗匹配电路，频率追踪电路等。

美特材料（metamaterials）是近年来十分火热的一种亚波长人工电磁微结构材料，其中最著名的效应即是具有负折射效应（negative refraction），这一类材料也被称为左手材料（left-handed materials, LHM）。

此外，美特材料也包含其他特性的材料，如高阻抗表面（high-impedance surface）、梯度材料（gradient-index materials）等等，在医疗与军工等应用上也十分广泛。

通过美特材料来调控磁谐振耦合无线能量传输系统已经屡见不鲜了，但其用法还较为单一，主要集中在利用磁单负材料放大传输能量所用的准静磁场；还有少部分工作详细了讨论了美特材料平面通过调整阻抗对近场分量包络进行重塑，从而达到聚焦等等有利于提高效率的事。

本文首先从原理仿真和实验解释了磁谐振耦合无线能量传输以及美特材料；随后通过仿真和实验分析了磁美特材料对磁谐振耦合无线能量传输系统的调控作用；最后简要阐述了由美特材料衍生出的变换光学（transformation optics）和磁耦合波（magneto-inductive wave）的原理以及各自对磁谐振耦合无线能量传输系统可能的应用。

1.1 无线能量传输系统简介自从第二次工业革命以来，人类开启了电气工业时代，一批又一批的电气产品铺天盖地地不满市场，大至世界各地的电缆、电网以及工业用电设备，小至家庭电气设备，无不例外都需要一根根长长的电导线输送必须的能源以支持自身的正常运转。

这样一来就会带来许多问题，例如，劣质电线容易老化导致供电不稳定，摩擦起火容易引发火灾；而就方便角度来说，电线也始终不是长久之计；又如现代社会电子产品的普及，充电电线始终成为必备之物，这使得人们的出行看似十分累赘；又如在一些特殊场合如矿井，机场，植入体内的医疗充电等等，电线总显得那么苍白无力。

随着小型可移动电气电子器件的繁荣发展，这些需求都在呼唤着人们甩掉电线，无线供能便显得尤为重要，这也就是本文要着重介绍的无线能量传输系统。

图1-1 无线能量传输系统大致分类1.11 传统无线能量传输系统如图1-1所示，传统无线能量传输系统主要包括辐射式，电场耦合式，磁场耦合式中的磁感应式以及声波等传能系统。

通常我们区分近场和远场以一个波长的范围来区分，研究距离离激励源大于一个波长，我们称其为远场；研究距离小于一个波长，我们称其为近场。

远场有推迟效应存在，且能量是以辐射方式发出；近场无推迟效应，且其电场和磁场的分布规律与静电磁场相同，所以它不向外辐射能量，而是电能和磁能在近场范围内交变，平均功率为零。

无线电波传输和激光传输是依靠电磁波辐射来工作的，对于无线电波传输来说，它所能传达能量的距离远远大于传输器件的几何尺寸，并且在远距离传输中，它的使用也比同样是辐射传输的激光要普遍得多，但相较于激光传能，其定向性较差，虽然在其覆盖区域范围内均能接收到电能，但其能量密度衰减十分快，通常以1/r2的速度下降，不能支持较高功率，因为若如此会对周边环境以及人体健康有不利影响；而激光传能相反，它能支持高功率传输，且方向性好，且效率十分高，但是它不成熟的地方是它必须是点对点传输，对传输环境要求较高。

与辐射式传能截然相反的是近场耦合式传能，其主要包括电耦合与磁耦合，其中电耦合是靠发射端和接收端之间形成电容器进行能量传输，电场对人体和周边环境影响过大，所以一般情况下不会选择使用电耦合式；传统的磁耦合式为纯感应式传能，发射线圈在工作频率附近非谐振，其中的交变电流产生交变的磁场并激励离其不远处的接收线圈，其中接收线圈在工作频率附近亦不谐振，接收线圈内部感应出交变电动势从而产生电能。

纯磁感应式传能所能允许的范围十分之近，传输距离远小于其器件最大尺寸，原因是因为其磁感力线发散过快，一般磁感应式传能会加入铁芯以引导更多的磁通穿过接收线圈（变压器）。

但磁感应式的好处是它可以允许较大功率的传能，有不俗的传输效率并且安全。

1.12 磁谐振耦合无线能量传输系统不同于上面所述的非辐射近场耦合式传能，这里我们要介绍的是一种依靠发射端与接收端谐振并且磁场耦合的方式进行中距离能量传输，理论上传输距离能达到传输装置几何尺寸的好几倍。

这种能量传输方式相较于辐射式传能的主要优点是磁谐振式传能能支持稍大功率的传输，因为其亚波长（亚波长结构是指结构的特征尺寸与工作波长相当或更小的周期（或非周期）结构）特性使其辐射能力并不突出；相比于感应式传能，磁谐振式在实现相同传输效率的条件下所允许的传输距离远远大于感应式的，并且不具备磁响应的物体对能量传输过程不造成影响，另外一点，磁谐振式传能对周边环境也是十分友好的，综合以上优点，其较为适合于民用。

当然，任何东西都是有利有弊的，磁谐振式传能也不例外，首先，其目前还不能支持与感应式传能相当的功率，因为其辐射特性并不是完全没有；其次，它并不像感应式传能一样，随着距离越近，效率越高，相反，随着距离越近，谐振式传能随着距离由远到近，效率是先上升后下降，原因是进入强耦合区，频率劈裂现象，关于这点在下文中会详细介绍。

1.2 磁美特材料简介望文生义，磁美特材料是美特材料的一个分支，另一类自然是电美特材料。

我们从美特材料来简要讲述其发展。

美特材料（又名“超材料”，“特异材料”，以及“异向材料”）的英文名是“metamaterials”，其中materials大家都十分熟悉，也就是材料的意思，这里我们可以认为它是自然界中的一般存在材料；“meta-”在希腊语中被译为“超越，超出”。

所以，美特材料是指一类超越了自然界中一般材料的材料。

起初，人们对它的存在持有褒贬不一的看法，但随着研究的深入，学界对其的看法逐渐的统一，从而形成了目前电磁领域的一大热门学系。

从经典电动力学的角度来说，物质的电磁特性可以被磁导率和介电常数所描述，而通常大自然的物质中的这两常数都是正数，极少数的物质在某一频段会表现出负值，所以材料的用途也较为局限。

但随着人类社会进程的高速发展，越来越多的技术产业已经不能满足于大自然的施予，一大批科学家投身于新材料的研发工作中，知道二十世纪末，美特材料等新兴领域慢慢地浮出水面。

其实早在1968年，苏联物理科学家V. Veselago就从经典电动力学的基础上猜想了当材料介电常数和磁导率同时为负时，材料会有相速度与群速度反向等奇妙的特性，他利用严谨的理论推导并证明了他的猜想，但是学界却没有肯定这一作品的意义。

直到1987年，一个伟大的名词诞生了--“光子晶体”（photonic crystal），如图1-1所示。

它最早是两人提出的：E.Yablonovitch为了抑制晶体中的自发辐射，采用周期性介质结构，利用多重散射的机理，人工形成了具备组织光子逃逸的人造光子带隙（photonic bandgap, PBG)结构，尔后同年S.Jonh 也不约而同地提出了周期性结构可以有效地将光子局域在某些界面处，其实等效地表明这种结构对光子有禁带作用。

于是又过了14年，也就是Veselago那篇工作后的整整30年，“美特材料”来到了这个世界，来自帝国理工学院的物理学家J.B.Pendry，通过对金属棒子按一定周期地排列起来，等效地得到了在GHz频段的电等离子体（一般金属的等离子体频率都很高，都属于THz量级），并在GHz频段实现了负介电常数。

随后在1999年，他提出了极为经典的“开口谐振环”（split ring resonator，SRR），并在GHz波段等效实现了负磁导率。

2000年，依照J.B.Pendry之前的铺垫，圣地亚哥伯克利分校的D.R.Smith等人依靠SRR环和金属线“双负特性”（介电常数和磁导率在某一频段同时为负，相当于折射率为负）的合适组合，研制出了世界上第一块“负折射材料”，如图1-2所示，即在正常材料-负折射材料界面，光会发生同向折射。

图1-1 （a）一维光子晶体；（b）二维光子晶体；（c）三维光子晶体图1-2 2000年D.R.Smith等人研制的负折射材料其实光子晶体和负折射材料这类微结构理论上都能归为“美特材料”，因为它们都是通过周期性来实现整体效果的。

但它们之间本质上有一个很大的差别：光子晶体的单元尺度要远远大于负折射材料（也就是我们现在所谓的美特材料）的单元尺度，因为光子晶体主要是依靠布拉格散射（Bragg Scattering）形成带隙来工作的，所以其单元尺度与光波长可比拟，而美特材料最初是来源于“人造原子”（Artificial Atom），如图1-3所示，这种“人造原子”的大小一定要远远小于工作波长，所以美特材料是等效出来的连续介质，以至于其周期性必须要远小于波长（亚波长特性）。

图1-3 常规材料（左物品）的宏观电磁响应也就是介电常数和磁导率是根据其中的电子和原子对电磁波的微观响应来定义的（左图），而美特材料（右物品）的宏观等效电磁参数则是来自于人造原子（如图里是“开口谐振环”）对外界电磁波的响应美特材料发展至今已经广泛应用于各大领域，例如医学成像，军工，天线雷达等等。

其中最为著名的例子便是“电磁隐身”（electromagnetic cloaking），试想一下，如图1-4所示，我们希望在待隐身区域外围一层美特材料，使得电磁图1-4 电磁隐身示意图波在这层美特材料里绕过待隐身区域，并在电磁波离开美特材料后依然能保持其进入美特材料时的波前和相位一致，那么它就完美隐身了。