CN103414257A - 一种基于美特材料中电磁遂穿效应的非辐射无线电能传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于美特材料中电磁遂穿效应的非辐射无线电能传输系统，包括：能量发生器、磁单负美特材料、电单负美特材料和能量接收器。该系统可以调控电磁场幅度及空间分布；该系统的传输效率不会随着距离的增加而有显著的变化；该系统可以实现即时传输，即当接收端一旦关闭，发射端立即能感知到，并立即停止能量的输送；该系统有非常好的方向性，只向接收端一个方向传输能量；该系统中的单负美特材料具有亚波长特性。与现有技术相比，本发明具有：即时传输、定向、可调控、非辐射、小型化、高效、中远距离、非辐射、工艺简单、成本低廉等优点。

Description

一种基于美特材料中电磁遂穿效应的非辐射无线电能传输系统
技术领域
本发明涉及一种无线电能传输系统，尤其是涉及一种基于美特材料中电磁遂穿效应的非辐射无线电能传输系统。
背景技术
利用电磁感应实现的近距离能量传输其实早已有之，其典型的应用就是将非接触的两组导线缠绕在同一个铁芯框架上而形成的变压器装置。我们现在常用的公交卡、饭卡以至于二代身份证中也有类似的机制：读卡机周围会产生一个高频磁场，一旦芯片进入其中周围的线圈内就会产生感应电压，从而激活芯片并把所携带信息通过线圈发射出去被读卡机接收。此外，当前的一些无线充电装置也是基于相同的电磁感应原理。然而，由于通电导线圈产生的磁场一般仅分布在线圈周围很小的区域，因此，无法为一些移动性较高的电子设备如手机、笔记本电脑等进行有效的中远距离的能量支持。
非辐射无线电能传输是近几年发展起来的基于磁耦合共振机制的能量传输方式。与简单的电磁感应方式相比，其传输距离已经有所增长。然而，这一技术也有其局限之处：由于磁耦合共振方式的限制，如果线圈之间的传输距离越长就必然要求线圈体积越大，圈数越多，否则会导致其能量传输效率随着距离的变长而迅速减小。这一点在传输距离达到几十或者上百米时几乎无法克服。
近年来，一类新型人工电磁波材料——美特材料在物理学、材料科学以及微波工程领域引起了人们越来越多的关注。这种材料根据介电常数和磁导率的符号不同，可以分为双负美特材料（介电常数和磁导率都为负）和单负美特材料（磁导率和介电常数只有一个为负）。其中单负美特材料又分为磁单负美特材料（磁导率为负）和电单负美特材料（介电常数为负）。因为单负美特材料的折射率是纯虚数，电磁波只能以迅衰场的形式存在，因此单负美特材料是不透明的。但是，令人惊奇的是，当把不透明的磁单负美特材料和不透明电单负美特材料排列在一起，组成复合结构时，整个结构却变得透明了。
目前无线电能传输遇到的难题是传输距离近，效率低，方向性差。
发明内容
本发明目的就是为了克服上述现有的技术缺陷而提供的一种具有：即时传输、定向、可调控、非辐射、小型化、高效、中远距离、非辐射、工艺简单、成本低廉等优点的一种基于美特材料中电磁遂穿效应的非辐射无线电能传输系统。
本发明可以通过以下技术方案来实现：
一种基于美特材料中电磁遂穿效应的非辐射无线电能传输系统，由能量发射源、能量接收器、磁单负美特材料和电单负美特材料组成，其中：
所述磁单负美特材料由第一介质板、第一块状铜箔层和第二块状铜箔层组成，第一块状铜箔层周期性排列在第一介质板正面，第二块状铜箔层周期性排列在第一介质板底面；第一块状铜箔层与第二块状铜箔层关于第一介质板镜像对称放置；
所述电单负美特材料由第二介质板，第一条状铜箔层，第二条状铜箔层组成，第一条状铜箔层周期性排列在第二介质板正面，第二条状铜箔层周期性排列在第二介质板正面；第一条状金属条状铜箔层与第二条状金属铜箔层相互垂直交叉排列；
磁单负美特材料和电单负美特材料位于能量发射源和能量接收器之间，所述磁单负美特材料与电单负美特材料之间通过电磁隧穿实现能量传递：磁单负美特材料具有负的磁导率，电单负美特材料具有负的介电常数；所述磁单负美特材料的谐振频率在电单负美特材料具有负介电常数的频率范围之内。
所述能量发射源与能量接收器是指具有定向发射电磁波的驱动天线，本发明中使用的是标准增益喇叭天线，型号：HD70HA20。
本发明中，所述的第一介质板和第二介质板均为聚四氟乙烯玻璃纤维制成的介质板。
本发明中，所述的第一介质板，第二介质板的介电常数为均为2.2，板厚均为0.787mm；第一块状铜箔层和第二块状铜箔层的厚度均为0.0175mm，长宽均为13.5mm，周期为16mm；第一条状金属铜箔层和第二条状金属铜箔层的厚度均为0.0175mm，宽度均为2mm，周期均为16mm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）利用美特-正常材料复合结构中丰富的共振隧穿模式可以有效提高非辐射无线电能传输的距离与效率；
（2）引入美特材料可以更有效地抑制无线能量传输范围内的电场分量，从而使电能传输过程中对人体及环境的极化影响大大减小；
（3）美特材料的亚波长特性有利于非辐射无线电能传输系统的小型化；
（4）该系统可以实现即时传输，即当接收端一旦关闭，发射端立即能感知到，并立即停止能量的输送；
（5）该系统有非常好的方向性，只向接收端一个方向传输能量；
（6）本发明工艺简单，成本低廉。
附图说明
图1为本发明实施时的连接结构示意图；
图2为磁单负美特材料层状图；
图3为电单负美特材料层状图；
图4为电单负、磁单负美特材料的正面图；(a)为电单负美特材料的正面图，(b)为磁单负美特材料的正面图；
图5为遂穿模空间电磁场分布示意图；
图6样品的仿真透射率随磁单负美特材料和电单负美特材料厚度变化的示意图；
图7本发明方法理论仿真样品的透射率；（a）、实验测得的样品透射率，（b）、对比图。
图中标号：1为能量发射源，2为能量接收器，3为磁单负美特材料，4为电单负美特材料，5为第一介质板，6为第一块状铜箔层，7为第二块状铜箔层，8为第二介质板，9为第一条状铜箔层，10为第二条状铜箔层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1-4所示，本发明基于美特材料中电磁遂穿效应的非辐射无线电能传输系统，该系统由能量发射源1，能量接收器2，磁单负美特材料3，电单负美特材料4组成。磁单负美特材料3与电单负美特材料4之间通过电磁隧穿实现能量传递，磁单负美特材料3具有负的磁导率，电单负美特材料4具有负的介电常数；磁单负美特材料3谐振频率在电单负美特材料4具有负介电常数的频率范围之内。
能量发射源1与能量接收器2是指具有定向发射电磁波的驱动天线，本专利中使用的是标准增益喇叭天线，型号：HD70HA20。
磁单负美特材料3是由第一介质板5，第一块状铜箔层6，第二块状铜箔层7组成；第一块状铜箔层6周期性排列在第一介质板5正面，第二块状铜箔层7周期性排列在第一介质板5底面；第一块状铜箔层6与第二块状铜箔层7关于第一介质板5镜像对称放置。
电单负美特材料4是由第二介质板8，第一条状铜箔层9，第二条状铜箔层10组成；第一条状铜箔层9周期性排列在第二介质板8正面，第二条状铜箔层10周期性排列在第二介质板8正面；第一条状金属条状铜箔层9与第二条状金属铜箔层10相互垂直交叉排列。
第一介质板5和第二介质板8均为聚四氟乙烯玻璃纤维制成的介质板。
第一介质板5，第二介质板8的介电常数为均为2.2，板厚均为0.787mm。
第一块状铜箔层6和第二块状铜箔层7的厚度均为0.0175mm，长宽均为13.5mm，周期为16mm。
第一条状金属铜箔层9和第二条状金属铜箔层10的厚度均为为0.0175mm，宽度均为2mm，周期均为为16mm。
采用本发明仿真得到系统的电磁场分布情况如图5所示，电场分布在磁单负表面，磁场分布在电单负表面，空间电磁场强度指数衰减。
采用本发明仿真得到系统的透射率随着磁单负材料和电单负材料厚度变化的移动情况如图6所示，理论仿真的频率范围为66MHz~73MHz，空气层厚度与电单负和磁单负层厚的比值为50,100, 200，透射率都在95%以上。
采用本发明测得的系统的透射率随频率的变化情况如图7所示，磁单负与电单负美特材料相距十分之一波长的情况下透射率达到了75%以上。这种基于美特材料中电磁遂穿效应的非辐射无线电能传输系统可以很好的应用于无线能量传输以及生物医学等领域。

Claims (4)

1.一种基于美特材料中电磁遂穿效应的非辐射无线电能传输系统，其特征在于：由能量发射源（1）、能量接收器（2）、磁单负美特材料（3）和电单负美特材料（4）组成，其中：
所述磁单负美特材料（3）由第一介质板（5）、第一块状铜箔层（6）和第二块状铜箔层（7）组成，第一块状铜箔层（6）周期性排列在第一介质板（5）正面，第二块状铜箔层（7）周期性排列在第一介质板（5）底面；第一块状铜箔层（6）与第二块状铜箔层（7）关于第一介质板（5）镜像对称放置；
所述电单负美特材料（4）由第二介质板（8），第一条状铜箔层（9），第二条状铜箔层（10）组成，第一条状铜箔层（9）周期性排列在第二介质板（8）正面，第二条状铜箔层（10）周期性排列在第二介质板（8）正面；第一条状金属条状铜箔层（9）与第二条状金属铜箔层（10）相互垂直交叉排列；
磁单负美特材料（3）和电单负美特材料（4）位于能量发射源（1）和能量接收器（2）之间，所述磁单负美特材料（3）与电单负美特材料（4）之间通过电磁隧穿实现能量传递：磁单负美特材料（3）具有负的磁导率，电单负美特材料（4）具有负的介电常数；所述磁单负美特材料（3）的谐振频率在电单负美特材料（4）具有负介电常数的频率范围之内。
2.根据权利要求1所述的一种基于美特材料中电磁遂穿效应的非辐射无线电能传输系统，其特征在于：所述能量发射源（1）与能量接收器（2）是指具有定向发射电磁波的驱动天线。
3.根据权利要求1所述的一种基于美特材料中电磁遂穿效应的非辐射无线电能传输系统，其特征在于：所述第一介质板（5）和第二介质板（8）均为聚四氟乙烯玻璃纤维制成的介质板。
4.根据权利要求1 所述的一种基于美特材料中电磁遂穿效应的非辐射无线电能传输系统，其特征在于：所述第一介质板（5），第二介质板（8）的介电常数为均为2.2，板厚均为0.787mm；第一块状铜箔层（6）和第二块状铜箔层（7）的厚度均为0.0175mm，长宽均为13.5mm，周期为16mm；第一条状金属铜箔层（9）和第二条状金属铜箔层（10）的厚度均为0.0175mm，宽度均为2mm，周期均为16mm。
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