通过紧凑型超材料集成提升磁耦合无线电能传输系统的性能

《IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility》：Elevating Performance of Magnetically Coupled WPT Systems Through Compact Metamaterial Integration

提出基于分形槽谐振器和超材料（MTM）的紧凑型近场无线能量传输系统，通过磁耦合设计增强性能。MTM采用30×30mm尺寸、3×3单元八螺旋结构，在433MHz频率下实现负磁导率，有效抑制磁场泄漏并提升耦合效率。实验表明，在39mm距离时效率达81%，前沿因子为1，验证了系统在抗偏移和紧凑设计上的优势。

　　

摘要：

本研究提出了一种集成了超材料（MTM）的紧凑型近场无线电力传输（WPT）系统，该系统具有提升的性能。该WPT系统通过两个在433 MHz频率下振动的带槽接地平面谐振器实现磁耦合。性能的提升得益于一种系统的设计方法，该方法包括两个关键阶段。在第一阶段，对“+”形分形槽结构的谐振器进行了分析，发现通过连续迭代可以扩大磁场（B）的面积，从而延长电力传输距离（d）。在第二阶段，将尺寸为30×30×2毫米的超材料（MTM）集成到WPT系统中。MTM的尺寸没有超过谐振器的面积，确保了整体系统的紧凑性。MTM采用3×3单元格的排列方式，每个单元格由八边形螺旋结构构成，在433 MHz频率下的磁导率为-1。MTM被精心放置在两个耦合谐振器之间，以有效减少磁场泄漏并增强耦合效果。结果，电力传输效率（η）和传输距离（d）均得到提升，在d=39毫米时，效率达到了81%。实验验证和与现有技术的对比表明，该系统的性价比（FoM）达到了1。在实际应用场景中评估了WPT系统的性能，同时考虑了错位和附近物体的影响。总体而言，研究结果证实了所提出的系统设计方法的有效性，标志着WPT技术取得了重大进展。