无线非辐射中距离电力传输

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1、无线非辐射中距离电力传输翻译：樊京Email：fanjing8886@yahoo.com.cn摘要：我们研究了电磁场缓慢消失模在长时间共振状态下是否可以远距离有效传输能量，甚至是在外部物体阻挡的情况下。凭借对真实世界的建模和材料参数，我们确立了这样一个非辐射强耦合机制。在这样的机制下，有效的无线能量的传输是现实的。关键词：无线能量；无线电力；强耦合1、引言在电磁学研究的早期，有线电力网还没有建立，曾经有很多人（特斯拉[1]的工作尤为显著）致力于建立远距离无线电力传输。这些努力获得了部分的成功。全向的电磁辐射模（这种模式在通信中

2、取得了巨大成功）不适合这样的能量传输，因为大部分能量在自由空间浪费了。使用激光或高频天线的定向辐射模式，可有效地传输能量，即使是在远距离的情况下（传输距离这里是设备的特征尺寸）。然而，定向辐射模式要求一个无阻挡的直线空间和复杂的定向跟踪系统。近年来迅速发展的独立工作的电子产品（如笔记本电脑，手机，电话，日用品机器人等无不依靠化学电池）应该重新审视调查这个问题。今天，我们面临着和特斯拉不同的挑战：由于现有的电力线网几乎无处不在，中距离的电力传输是非常有用的。现有的产品机制是依靠磁感应近场，其有效工作距离太近或者是传输能量太低[2

3、-6]。相对于上述的方法，我们研究了使用长寿命的共振电磁模式，其近场模式是缓慢消失模。这种模式可以有效地进行中距离无线能量传输。该方法是基于众所周知的共振耦合原理（即两个相同频率的物体往往趋向于谐振，并且与环境中其它的非共振物体相互作用很弱），电磁场消逝模的耦合共振尤为明显。（其耦合机制是通过重叠两个非辐射近场）。这也将毫无疑问地导致两个近场物体的有效耦合。（如光学波导或腔耦合器和电谐振变压器）。然而，这些解释远远没有搞清楚在中距离的情况下的物理机制。据我们所知，没有文献解释几倍于物体间最大尺寸的能量传输问题。在这篇论文中，我

4、们详细的理论和数值分析表明，这种高效的中距离无线能量交换可以实现，只要采取合适方式，使设计系统工作于“强耦合”模式，同时能量传输和消耗在非共振物体上的尽可能少。“强耦合”现象在不同的领域内广为人知，例如光和物质的相互作用研究[7]。在这种令人喜欢的机制下，我们将定量研究以下问题：这种机制可以在多远的距离内有效，对外部扰动的敏感度如何？这种全向的稳态近场使这种机制适合无线移动电话的电力传输。因而也可能有很多其他的应用。例如，将一个电力发射源（连接到有线网络的电力工厂房间的天花板），而设备（机器人，车辆，电脑等）可以在房间内漫游。

5、其他可能的应用包括电动汽车，RFID标识，甚至纳米机器人。2、耦合率和耦合范围基于耦合的无线能量传输效率和范围是首先要考虑的问题，其它的路径损失暂不考虑。描述共振能量转移的理想的理论框架是模式耦合理论（CMT，coupledmodetheory）[8]。在这个理论中，两个共振物体1和2的场用+来近似。这里，是物体1和2的独立固有模式。A1(t)和a2(t)的最低次模的场振幅是：公式里，是独立的固有本征频率，是由于物体内在损失（如吸收和辐射）导致的共振宽度，k是耦合系数。方程（1）显示理想共振时复合系统的标准模被从2k分开；两个

6、物体间的能量交换发生在时刻附近。不考虑损失的情况下，当耦合率远远大于各种损失率时能量交换最小。正是这种比例可以作为我们无线能量传递系统的技术指标，考察随着距离的改变这个比例可以达到多高。我们希望的被称为“强耦合”机制。因此，我们的能量转移应用需要共振模具有高的品质因数Qw=/2Γ和低得固有损失Γ，这也是为什么我们没有使用辐射损失较大的远场模式，而采用消失模近场模式的原因。此外，我们要求强耦合率k要在大于发射体特征尺寸的距离实现。既然围绕在有限长共振物体上的近场主要由波长决定（并且严格地被“辐射约束”定量）。这种中距离非辐射耦合

7、只是使用尺寸远小于共振波长的共振物体实现，而且这样大大加长了消失近场的“尾巴”。这是没有被严格研究的领域，既然人们总是希望减少这个设备附近近场“尾巴”。正如后面的例子中所显示的那样，这样一个亚波长共振可以容易的被高Q值辐射实现。因此这通常是移动共振设备D的适当选择。需要注意的是，源共振设备S经常是固定的，并且很少有尺寸和形状的约束，因而可以有选择足够大的近场范围并且不受亚波长的限制（例如使用波导模式调谐到接近近场（lightline）’，以利用缓慢衰减的指数模式）。被提议的方法适用于任何谐振结构和类型（例如电磁、声学、核磁等）

8、，只要满足以上的要求。作为例子，我们选择了两种最广为人知的电磁共振结构：介质盘和电容负载的导线环。即使不作优化，这两种结构简单的结构仍然能得到可以令人满意的性能。2.1介质盘假定一个2维的介电盘半径为r，相对相对介电常数为ε，周围被空气环绕，并且支持高Q“回音壁”模式（Fig