集总参数电磁人工超材料在无线能量传输中的应用

文章在磁共振式无线能量传输系统的基础上,应用磁单负特异材料,设计出一种能够实现磁场聚焦的特异材料平板透镜,并将其应用到谐振式无线能量传输系统之中提高传输效率。     

基于磁耦合谐振方式的扫地机器人无线充电系统设计

为了提高扫地机器人的智能化程度,设计基于磁耦合谐振式的无线能量传输系统对扫地机器人进行非接触式充电。系统设计遵循Qi标准,具备兼容性和通用性。经实验测试证明,该系统可以实现24W(24V,1A)的能量传输,传输距离可以达到3cm,系统的最大效率可以达到85%。     

磁耦合谐振式无线充电系统研究

无线充电技术是一种新型的电能传输技术。文中设计了一种磁耦合谐振式蓄电池充电器,能够实现蓄电池无线充电。利用两个发生谐振耦合的电路来捕捉随距离缩减的电磁场,当发射回路和接受回路处于谐振状态时,谐振体之间能量交换可以达到很高的效率。利用变压器互感模型对磁耦合谐振无线电能传送进行了分析,设计了功率为4 kW的磁耦合谐振频率75 kHz的试验电路,实验结果表明,当传输距离为0.3 m时,效率接近90%。     

磁耦合谐振串串式无线电能传输研究

磁耦合谐振式无线电能传输技术作为一种新兴无线能量传输技术,具有传输距离远、传输功率大、传输效率高、无辐射性和穿透性等优点。基于等效电路模型建立了磁耦合谐振式无线输电串串式拓扑模型,给出了输出功率、传输效率的计算方法,搭建了磁耦合谐振式无线电能传输试验平台,通过仿真与实验,分析了线圈距离、工作频率、负载电阻以及系统谐振对输出功率、传输效率的作用规律,为磁耦合谐振式无线电能传输系统的设计及参数优化提供了理论依据。     

用于无线能量传输系统的微带天线设计

本文提出一种用于组成无线能量传输(Wireless Power Transmission,WPT)系统的微带天线结构,并采用基于有限元法的电磁仿真软件(HFSS)对微带天线进行3D建模.在二端口网络分析法的基础上,建立磁耦合共振无线能量传输等效电路模型,求解出系统发生频率分叉现象产生的条件以及最大效率时的频率表达式.基于以上方法,研究本文设计的微带天线传输特性,包括:系统的最优传输效率与耦合距离的关系,工作频率与耦合距离的关系,得出在能量传输距离在50cm左右时,天线的谐振频率为12.5MHz,效率可达63%.微带天线具有很大的结构优势,如与集成电路兼容,成本低,体积相对较小,且工艺相当成熟,易大规模批量生产等优势.因此该设计的平面微带天线可用于无线能量传输系统.     

基于超介质的无线充电研究

磁耦合谐振式无线充电是最具发展前景的无线充电技术,在磁耦合谐振式无线充电系统中加入超介质,可以提高系统传输效率。文章首先构建该系统的集总电路模型,分析影响传输效率的因素;其次阐述将超介质应用于磁耦合谐振无线充电系统的原理;最后设计出工作在9.6MHz的磁耦合谐振无线充电系统,提出一款在9.599MHz等效磁导率m=-1的超介质结构,经过仿真分析得出结论:超介质应用于磁耦合谐振式无线充电系统能提高系统传输效率。     

磁耦合谐振无线携能通信系统建模与分析

摆脱有形介质的束缚,让信息与能量传输能够更加灵活方便一直是用户对于设备的潜在需求。文中基于磁耦合谐振方式提出一种无线能量与信息同步传输并形成信息回路反馈的方式,通过建立实验装置模型,验证系统方案的可行性,并对系统能量传输效率部分建立等效模型分析,通过仿真给出传输效率与距离的关系曲线,并通过对比仿真数据与实验数据,验证了等效模型分析的正确性。     

电磁感应/谐振无线输能的场-路混合仿真

针对电磁感应/谐振无线能量传输系统的效率计算,研究(电磁)场-(电)路混合仿真。将电磁感应/谐振无线能量传输系统划分为2部分:线圈耦合单元与电路单元。采用Comsol软件对线圈单元进行电磁仿真计算,得到线圈电感值及线圈间的耦合系数,将电感值及耦合系数带入Multisim软件进行电路仿真,得到系统总效率。混合仿真中电路单元不仅包括放大电路,还包括耦合线圈的等效电路模型,以此将耦合线圈和放大电路相互影响和匹配纳入仿真中。为检验场-路混合仿真准确度,设计和测试一套四线圈磁耦合谐振式无线能量传输系统,其谐振频率为4.78 MHz、无线传能距离为40 cm。混合仿真得到该系统效率为98.8%,与测试得到系统效率96.9%吻合良好。     

基于磁谐振式无线输能系统频率调谐的效率优化

磁耦合谐振式无线输能系统理论设计上可在临界耦合的一段区间内达到高效率能量传输,但还存在远距离弱耦合区效率急剧衰减,近距离强耦合区出现谐振频率分裂现象的问题。为此,仿真并设计制作附有铁氧体磁芯的平面螺旋耦合线圈,在传输系统中做频率跟踪调谐,使传输距离在强耦合区变化时,依旧保持系统高效率传输。测试表明,整个系统可实现传输距离在5~20 cm变化时,都能保证无线输能效率高于80%。     

谐振式能量传输系统频率分裂特性研究

基于磁耦合谐振式的无线供电系统可在中等传输距离内实现高效能量传输,因而成为当前科学与工程技术领域研究的热点.主要研究了磁耦合谐振式无线供电系统在传输过程中有可能存在的频率分裂现象.通过在FEKO中对磁耦合谐振式无线供电系统进行建模分析,验证了现象的存在,并指出前人解决频率分裂方法的局限性.提出一种可行的方法去消除频率分裂现象对系统传输的影响,为后续磁耦合谐振式无线能量传输系统的设计提供参考.     

Excitation of an electrically thick metamaterial waveguide of a finite length

The problem of diffraction of a cylindrical wave by a plate whose medium has a negative refractive index (a metamaterial) is numerically solved. The near and far fields are investigated for the case when a cylindrical wave source is located near the narrow butt-end of a long plate and when the metamaterial of the plate has various values of the permittivity and permeability. The results obtained are interpreted in terms of the geometric optics. It is shown that a plate made from such a metamaterial can be applied for fabricating antennas with multi- and single-lobe patterns.     

一种基于机械旋转的可重构超表面电磁开关设计

为了提高微波无线能量传输的效率以及灵活性,提出并设计实现了一款基于机械控制的可重构超表面电磁开关。该设计基于Pancharatnam-Berry(P-B)相位原理,是一种可机械旋转、具有波束控制能力的反射型超表面,可以直接应用于无线传输系统中。仿真与优化设计表明,对于垂直入射的右旋圆极化平面波,超表面能够实现同极化聚焦或散射两种可重构功能。将该超表面放在无线传输系统中的发射端可以形成反射面天线,从而对微波无线功率传输系统实现电磁开关的功能。实验结果表明,在设计的5.8 GHz 附近,发射天线位于超表面焦点处时,通过调节超表面实现聚焦功能,可以使天线增益提高2.7 dBi;在无线传输系统中,可以通过超表面的引入实现电磁开关的功能。     

基于信息超材料的高性能微波计算成像系统

该文深入阐述基于信息超材料的高性能微波计算成像系统架构设计、工作原理与建模分析。首先,利用信息超材料对电磁波优异的调节能力,结合压缩采样理论,重点讨论信息超材料多样杂散波束产生及高性能辐射设计方法。再进一步构建针对高辐射性能信息超材料微波计算成像系统的数值模型,并提出一种高性能色散信息超材料单元,该单元带阻频率捷变特性可覆盖整个X波段。基于该单元设计了一款高透射效率信息超材料透镜,在成像区域内辐射性能较当前超材料孔径提高3倍,辐射效率达到75%。最后基于所构建的数值模型,计算验证所提出的高透射率色散信息超材料透镜对理想散射体的图像还原能力。该文所研究的基于信息超材料的高性能微波计算成像系统,为成像雷达、安防预警、医疗检测等应用提供了坚实的理论依据和前瞻性探索。      

基于双层超材料中的电场增强效应增强光学透射

传输增强是基于非空心双层超材料滤波器的模拟验证.所提出的结构包含覆盖在连续介电层上的连续金属膜.与单金属层结构相比,模拟传输明显增强.模拟验证了介电层厚度和入射角对传输增强的影响.发现当厚度h1为20 nm时,实现了最大化的透射率增强.此外,所提出的紧凑金属-电介质双层薄膜在入射角达到45°时显示出透射率增强的稳定性,由于其非空心化设计策略,可以应用于许多潜在的领域.     

Method for Adjusting Single Matching Network for High‐Power Transfer Efficiency of Wireless Power Transfer System

A wireless power transfer (WPT) system is generally designed with the optimum source and load impedance in order to achieve the maximum power transfer efficiency (PTE) at a specific coupling coefficient. Empirically or intuitively, however, it is well known that a high PTE can be attained by adjusting either the source or load impedance. In this paper, we estimate the maximum achievable PTE of WPT systems with the given load impedance, and propose the condition of source impedance for the maximum PTE. This condition can be reciprocally applied to the load impedance of a WPT system with the given source impedance. First, we review the transducer power gain of a two‐port network as the PTE of the WPT system. Next, we derive two candidate conditions, the critical coupling and the optimum conditions, from the transducer power gain. Finally, we compare the two conditions carefully, and the results therefore indicate that the optimum condition is more suitable for a highly efficient WPT system with a given load impedance.     

基于超材料构建的PCB通信信道芯片无线互连通信研究

提出了一种基于蘑菇型电磁超材料构建的PCB(Printed Circuit Board)的芯片间/芯片内射频通信设计模型.该设计用单极子天线模拟芯片管脚,利用PCB介质作为通信信道,并填充一层超材料吸收多径传播中部分电磁波,降低天线回波损耗和改善天线之间相关度.分析电磁波在PCB介质内传播途径及超材料对其影响.对发射天线输入频率为20GHz不归零伪随机二进制信号,接收天线输出信号的眼图清晰端正.从频域和时域结果分析表明芯片-PCB无线互连可行,而且超材料能够明显改善通信信道而提高信号传输质量.     

Wireless Power Transfer and In-Vehicle Networking Integration for Energy-Efficient Electric Vehicles

This paper presents the wireless power transfer (WPT) technology based on inductive coupling and the design challenges of a hybrid energy harvester (EH) circuit as a promising solution to promote the energy efficiency of the electric vehicles (EVs). The design methodologies of ultra-low power (ULP) electronic module based on low leakage conditioning and processing device are detailed based on nanoscale transistor technology so that the WPT and hybrid EH can be implemented for self-powered devices in EVs. Moreover, in-vehicle network design verification based on a new power-aware behavioral model formulation and extraction for high-speed and ULP transceivers that enables the transient prediction of power and ground currents and voltages when multiple drivers are simultaneously switching for signal-power integrity evaluation. The derivation of the proposed model is based on the analysis and extension of the input/output buffer information specification (IBIS). The analysis of the previous IBIS and Mpilog modeling approaches is followed by a new model formulation along with a well-designed characterization and parametric extraction procedure.     

A substrate for small patch antennas providing tunable miniaturization factors

Magnetic properties were imparted to a naturally nonmagnetic material by metallic inclusions. A patch antenna tested the performance of the magnetic metamaterial as a substrate and validated that a single substrate can achieve a range of miniaturization values. The effective medium metamaterial substrate employed electromagnetically small embedded circuits (ECs) to achieve permeability and permittivity greater than that of the host dielectric. Geometric control of the ECs allowed /spl mu/ and /spl epsi/ to be tailored to the application. The magnetic metamaterial exhibited enhanced /spl mu/ and /spl epsi/ with acceptable loss-factor levels. Models for predicting /spl mu/ and /spl epsi/ are presented, the benefits of employing metamaterial substrates are discussed, and the results in this antenna experiment are presented. The metamaterial exhibits performance characteristics not achievable from natural materials. Of particular significance is that with the permeability varying strongly and predictably with frequency, the miniaturization factor may be selected by tuning the operating frequency. Simulations indicate that such performance can be extended to several gigahertz with current technology. Relative permeability values in the /spl mu//sub r/=1-5 range are achievable for moderately low-loss applications. Representative antenna miniaturization factors on the order of 4-7 over a moderate (approximately 10%) transmission bandwidth and efficiencies in a moderate range (20%-35%) are demonstrated with the possibility of higher efficiencies indicated.     

一体化电磁聚焦系统加载技术的研究

为了提高行波管用电磁聚焦系统的效率,在一体化电磁聚焦系统的无加载设计基础上,进行了加载技术的研究,通过使用CST软件和MTSS软件进行仿真设计,然后进行装管验证。研究结果表明：对某X波段大功率耦合腔行波管的一体化电磁聚焦系统进行加载后,可实现对电磁聚焦磁场的局部调节,且基本不影响相临区域的磁场,在获得相同磁场强度的条件下,线包的耗散功率降低了3%左右。因此,对一体化电磁聚焦系统进行加载技术的研究有较好的实际意义。