CN109755752A - 新型电磁超材料结构及其在无线电能传输中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型电磁超材料结构及其在无线电能传输中的应用，该结构包括多个成型的子单元，子单元在同一平面内成矩阵排布。该结构在65MHz左右能够达到负的介电常数和负的磁导率，其结构简单、易制作。同时，将该电磁超材料结构应用于无线电能传输系统中，利用其对电磁波的平板聚焦特性，提高系统的性能。
Description
技术领域
本发明属于电磁超材料及无线电能传输技术领域，具体涉及一种新型电磁超材料结 构及其在无线电能传输中的应用。
背景技术
无线电能传输技术有很广泛的应用前景，尤其随着电子设备的普及，人们对安全性、 美观性的要求越来越高，无线电能传输技术的发展，为人们实现智能化家庭生活提供了 可能。根据实现原理，无线电能传输技术可以分为辐射式和非辐射式。在非辐射式无线电能传输系统中，能量传输距离和能量传输效率成为研究的热点。研究表明，随着能量 传输距离的增加，能量传输效率会大幅的降低。例如，图1是基于磁谐振耦合技术的无 线电能传输系统组成，在系统中，发射线圈和接收线圈具有相同地共振频率，同时线圈 要具有较高的品质因数，系统可以在中距离的范围内，达到较高的传输效率。但随着传 输距离的持续增加，其传输效率也会大幅下降，这将大大限制该系统的应用范围。为了 解决这一问题，研究者提出了利用电磁超材料来提高系统的性能。
参见图2，是电磁波穿过传统材料的变化示意图，图3是电磁波穿过电磁超材料后的 变化示意图，对比图2和图3，可以看出电磁超材料能够改变电磁波的传播方向，对电磁波起到聚焦作用。这是因为，相对于传统的材料，电磁超材料通过周期性的结构能够实 现负磁导率和负介电常数，正是由于电磁超材料的双负特性，所以能够改变电磁波的传 播方向，对电磁波起到聚焦作用。
本发明利用电磁超材料的这一特性，将电磁超材料应用于无线电能传输系统中，对 电磁超材料结构进行设计，从而提高系统的性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型电磁超材料结构，使其磁导 率和介电常数达到双负特性，并将其应用于无线电能传输系统中，利用电磁超材料对电磁波的平板聚焦特性，提高系统的性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种新型电磁超材料结构，该结构包括多个成型的子单元，子单元在同一平面内成矩阵排布。
在上述技术方案中，各子单元之间的间隙距离为2cm。
在上述技术方案中，各子单元组成的电磁超材料结构印刷(承载)在pcb板上。
在上述技术方案中，各子单元的层厚为1mm。
在上述技术方案中，所述新型电磁超材料结构在65MHz左右达到负的介电常数和负 的磁导率。
上述电磁超材料结构在无线电能传输系统中的应用：电磁超材料位于发射线圈和接 收线圈之间，用于改变发射线圈产生的磁场传播方向，对电磁场起到聚焦作用。仿真结果表明，加入超材料之后，无线电能传输系统的传输效率提高了大约10％左右。
本发明的优点和有益效果为：
本发明提供一种新型电磁超材料结构，该结构在65MHz左右能够达到负的介电常数 和负的磁导率，其结构简单、易制作。同时，将该电磁超材料结构应用于无线电能传输系统中，利用其对电磁波的平板聚焦特性，提高系统的性能。
附图说明
图1是基于磁谐振耦合技术的无线电能传输系统组成示意图。
图2是电磁波穿过传统材料的变化示意图。
图3是电磁波穿过电磁超材料后的变化示意图。
图4是本发明的电磁超材料结构的结构示意图。
图5是本发明的电磁超材料结构的结构示意图。
图6是本发明的电磁超材料结构的S参数数据图。
图7是本发明的电磁超材料结构的等效磁导率数据图。
图8是本发明的电磁超材料结构的等效介电常数数据图。
图9是包含本发明的电磁超材料的无线电能传输系统图。
图10是本发明的电磁超材料结构的子单元的结构图。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图 获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明 本发明的技术方案。
实施例一
一种新型的电磁超材料结构，参见附图4，该结构包括多个形状成型的子单元，子单元在同一平面内成矩阵排布，每个子单元的具体规格尺寸参见下表：
表1：新型电磁超材料的参数列表
| Parameters | Values(cm) |
| l<sub>1</sub> | 15 |
| l<sub>2</sub> | 6 |
| l<sub>3</sub> | 10 |
| w<sub>1</sub> | 2 |
| w<sub>2</sub> | 2 |
进一步的，参见附图5，各子单元之间的间隙距离w3为2cm。
进一步的，各子单元组成的电磁超材料结构印刷(承载)在pcb板上。
进一步的，各子单元的层厚为1mm。
实施例二
本发明利用Smith等效参量提取法，利用结构的S参数得到电磁超材料的等效磁导率和等效的介电常数。当平面波垂直入设到电磁超材料结构后，可以得到材料折射率n、 阻抗Z、等效磁导率u和等效介电常数ε为：
其中k0是自由空间中入射波波数；D是结构厚度；S11是输入反射系数；S21是正向传输系数。
ε＝n/Z (3)
u＝nZ (4)
首先利用ANSYS Maxwell软件通过仿真分析得到上述电磁超材料结构的S参数图，如图6所示，S(1,1)代表结构的输入反射系数曲线，S(2,1)代表正向传输系数曲线。
根据得到的电磁超材料结构的S参数数据以及公式1-4，即可得到电磁超材料的等效 磁导率u和等效介电常数ε。计算得到的电磁超材料结构的等效磁导率如图7所示，电磁超材料结构的等效介电常数如图8所示。从图7和图8中可以看出，该结构在65MHz左 右可以达到负的介电常数和负的磁导率。
实施例三
将以上提出的电磁超材料应用于无线电能传输系统中，如图9所示。电磁超材料位于发射线圈和接收线圈之间，用于改变发射线圈产生的磁场传播方向，对电磁场起到聚 焦作用。仿真结果表明，加入超材料之后，无线电能传输系统的传输效率提高了大约10％ 左右。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下， 任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落 入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种新型电磁超材料结构，其特征在于：该结构包括多个成型的子单元，子单元在同一平面内成矩阵排布。
2.根据权利要求1所述的新型电磁超材料结构，其特征在于：所述子单元的形状参数如图10和下表所示。
3.根据权利要求2所述的新型电磁超材料结构，其特征在于：各子单元之间的间隙距离为2cm。
4.根据权利要求3所述的新型电磁超材料结构，其特征在于：各子单元组成的电磁超材料结构印刷在pcb板上。
5.根据权利要求1所述的新型电磁超材料结构，其特征在于：各子单元的层厚为0.8-1.2mm。
6.根据权利要求1所述的新型电磁超材料结构，其特征在于：各子单元的层厚为1mm。
7.根据权利要求1所述的新型电磁超材料结构，其特征在于：该结构在65MHz左右达到负的介电常数和负的磁导率。
8.根据权利要求1所述的电磁超材料结构在无线电能传输系统中的应用，电磁超材料位于发射线圈和接收线圈之间，用于改变发射线圈产生的磁场传播方向，对电磁场起到聚焦作用。
9.根据权利要求4所述的电磁超材料结构在无线电能传输系统中的应用，电磁超材料位于发射线圈和接收线圈之间，用于改变发射线圈产生的磁场传播方向，对电磁场起到聚焦作用。
10.根据权利要求9所述的电磁超材料结构在无线电能传输系统中的应用，其特征在于：无线电能传输系统的传输效率提高了大约10％左右。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050030137A1 (en) * | 2003-06-20 | 2005-02-10 | Mckinzie William E. | Artificial magnetic conductor surfaces loaded with ferrite-based artificial magnetic materials |
| CN102299697A (zh) * | 2011-05-31 | 2011-12-28 | 许河秀 | 复合左右手传输线及其设计方法和基于该传输线的双工器 |
| US20120212395A1 (en) * | 2011-02-23 | 2012-08-23 | Atsushi Sanada | Metamaterial provided with at least one spiral conductor for propagating electromagnetic wave |
| US20130307644A1 (en) * | 2008-02-07 | 2013-11-21 | Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. | Tunable metamaterials |
| CN104466422A (zh) * | 2014-11-25 | 2015-03-25 | 张永超 | 一种具有类矩形微结构的超材料 |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050030137A1 (en) * | 2003-06-20 | 2005-02-10 | Mckinzie William E. | Artificial magnetic conductor surfaces loaded with ferrite-based artificial magnetic materials |
| US20130307644A1 (en) * | 2008-02-07 | 2013-11-21 | Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. | Tunable metamaterials |
| US20120212395A1 (en) * | 2011-02-23 | 2012-08-23 | Atsushi Sanada | Metamaterial provided with at least one spiral conductor for propagating electromagnetic wave |
| CN102299697A (zh) * | 2011-05-31 | 2011-12-28 | 许河秀 | 复合左右手传输线及其设计方法和基于该传输线的双工器 |
| CN104466422A (zh) * | 2014-11-25 | 2015-03-25 | 张永超 | 一种具有类矩形微结构的超材料 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| HISAMATSU NAKANO等: "Metaspiral Antenna Using Stubs", 《2016 IEEE 5TH ASIA-PACIFIC CONFERENCE ON ANTENNAS AND PROPAGATION》 * |
| 刘凌云等: "电磁超材料增强无线电能传输效率研究", 《湖北工业大学学报》 * |
| 张秀等: "近场板在无线电能传输系统中的应用", 《天津师范大学学报》 * |
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