[发明专利]一种用于无线电能传输系统的超材料等效电路的分析方法

说明书

本发明公开了一种用于无线电能传输系统的超材料等效电路的分析方法，包括：将超材料单元等效为一个包括谐振线圈、附加电容和介质基板的RLC谐振电路；调整RLC谐振电路，使得超材料单元的谐振频率为系统工作频率时，其等效磁导率为‑1；将N个超材料单元按照阵列周期结构排列组合，得到超材料；将超材料加载到发射线圈与接收线圈之间，并计算各模块之间的互感；建立系统的电路矩阵方程，从而求解电路参数，并进一步计算系统的传输效率；改变超材料与发射线圈的距离，得到最佳介入位置。本发明能够更加深入准确地分析超材料加载到无线电能传输系统的作用规律和耦合机制，并简化了分析过程。

技术领域

本发明属于电工新技术领域，更具体地，涉及一种用于无线电能传输系统的超材料等效电路的分析方法。

背景技术

传统的供电及其充电方式都是利用有线方式进行连接，这种充电方式不够方便，而且还带来了许多安全隐患，比如电源线的绝缘老化问题。无线电能传输系统则不存在上述问题，因此得到了广泛的应用。在无线电能传输系统中，电能能通过远场辐射或者近场耦合传输，但是由于远场辐射没有方向性，而且距离远，导致传输效率非常低，极大制约了无线电能传输的发展。电磁超材料是一种人工复合材料，具有负折射，负磁导率，负介电常数和倏逝波放大等物理特性，研究表明电磁超材料优异的电磁“聚焦”效应可以提高磁共振无线输电系统的效率，改善系统输电的电磁安全性，具有极大的应用前景。

现有的用于研究加载超材料的无线电能系统的方法通常为等效媒质理论和传输线理论，这些方法忽略了介质两边的金属耦合作用，只能利用有限元仿真软件进行粗略的分析，并没有提供对于所需超材料的基本参数设定的原则，需要建立比较复杂的几何模型，计算速度较慢，因而不能高效指导超材料参数的获取和超材料的加工制造，等效电路法比有其他两种方法更简单灵活、更能提高效率。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种用于无线电能传输系统的超材料等效电路的分析方法，其目的在于，针对基于超材料的四线圈无线电能传输(WirelessPower Transmission，WPT)系统，通过将每个超材料单元等效为谐振的RLC电路，并详细分析每个超材料单元与线圈之间以及不同超材料单元之间的相互耦合关系，并结合电路矩阵方程获取能够提升系统电能传输效率的关键参数。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于无线电能传输系统的超材料等效电路的分析方法，包括如下步骤：

(1)将超材料单元等效为一个包括谐振线圈、附加电容和介质基板的RLC谐振电路；调整谐振线圈的大小、附加电容的大小以及介质基板的规格，使得超材料单元的谐振频率为f₀，且超材料单元在谐振频率点f₀时对应的RLC谐振电路的等效磁导率为-1；其中，f₀为无线电能传输系统的工作频率；

(2)将N个超材料单元按照阵列周期结构排列组合，得到超材料；对整个系统进行仿真，并根据仿真结果调整超材料单元之间的阵列结构，以优化系统的传输效率；其中，N为根据所述谐振线圈的大小确定的正整数；N的取值根据线圈大小确定，如果单元数过多，每块超材料的损耗也会变大，相反不会起到增加效率的作用，如果单元数过少，尺寸过大，会超出超材料的定义范畴，超材料的尺寸远小于亚波长；