超材料与超表面通过对电磁场和电磁波的灵活调控，能够显著改善无线电能传输系统的传输特性，基于超材料与超表面的无线电能传输技术逐渐引起了国内外的广泛关注。江苏省煤矿电气与自动化工程实验室（中国矿业大学）、中国北方车辆研究所等单位的荣灿灿、严俐慧等学者，首先对超材料的概念、设计以及构造进行了论述；其次对超材料介入无线电能传输系统的作用机理进行了解析；接着详细阐述了超材料在无线电能传输系统效率提升、偏移调控以及电磁屏蔽的作用；最后探讨了该技术未来发展的瓶颈及关键技术问题，并进行了展望。

无线电能传输（WPT）技术彻底摆脱传统“有线”导线的束缚，降低对电池容量的需求，能够显著提升用户体验，具有强灵活性、易操作性以及高安全性等诸多优点。该项技术被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一，同时也被中国科学技术协会列入十大引领未来的科学技术之一。

根据能量传输所涉及的场区域，无线电能传输技术大致可分为近场无线电能传输和远场无线电能传输。其中近场无线电能传输一般包含感应耦合式、磁耦合谐振式、电场耦合式等。近场无线电能传输技术利用电磁效应进行无线传能，且能量不向外发射，其传输距离远小于电磁波的波长（通常以一个波长为划分依据）。远场无线电能传输一般包含微波辐射式、激光式等，远场无线电能传输中的电磁能量以电磁波的形式向外辐射，其传输距离远大于电磁波的波长，详细分类如图1所示。

图1 无线电能传输技术分类框图

无线电能传输技术通过电磁转换来实现能量传递，受系统本征传输性能等因素影响，该技术仍面临一系列问题与挑战，包括：①传输距离短，无法满足新形势下充电设备的需求；②系统效率低，“充电焦虑”问题有待解决；③偏移容忍度低，极大地限制了能量接收的自由度；④存在电磁泄露问题，不可避免地对电子设备甚至人体组织器官产生危害。这些不足严重阻碍了该技术发展与产业化进程。

为了提升无线电能传输系统空间传能性能，国内外科研院所纷纷提出了诸多解决方案和措施。其中，超材料的提出和发展为补齐无线电能传输技术的这些“短板”，实现电气设备安全、灵活、洁净用电提供了有效解决方案。

因其奇特迥异的电磁特性，超材料颠覆了传统电磁理论描述的若干规则，在无线电能传输领域展现出巨大的应用潜力和发展空间。超材料是一种人工复合材料，通过对材料关键物理尺寸上进行巧妙的结构设计，能够获得自然材料所不具备的超常物理性质，如负折射、完美透镜等。超材料凭借重大的科学意义和广阔的应用前景于2010年被Science杂志评为21世纪影响人类的十大科技突破之一。

相比于超材料，超构表面（简称超表面）具有紧凑的二维结构设计和优良的电磁调控特性，也被广泛应用于无线电能传输系统中。创造性地将超材料或超表面运用到无线电能传输系统，实现两类新兴技术的有机融合，能够有效发挥超材料与超表面的诸多优势：①多模态多功能；②可重构易组装；③强可控可调性。因其特异的电磁性能，超材料或超表面介入无线电能传输系统的研究已成为国内外学术界、工业界乃至军事界都备受关注的热点技术，全球各国均投入大量的人力和物力资源，竞相争夺和抢占这一科技制高点。

超材料与超表面介入无线电能传输系统凭借在系统效率、传输距离、抗偏移性以及电磁屏蔽等方面显著的效果，受到了国内外专家学者的高度关注。事实上，目前国内外已有一些文献对该技术进行了综述，相比于其他研究成果，中国矿业大学等单位的研究者立足当前无线电能传输技术的发展需求，结合超材料与超表面的前沿研究，旨在提供一个自上而下的超材料与超表面介入无线电能传输系统的全面描述与重点刻画。他们不仅兼顾先前研究，而且结合最新进展，对超材料与超表面介入无线电能传输系统的前沿问题也进行了深入思考，以期为后续相关研究提供重要的理论支撑和设计参考。

图2 超材料与超表面设计与结构汇总概图

表1 基于超材料的WPT系统总结与对比

目前国内外科研院所围绕超材料介入无线电能传输技术进行了一些研究，并取得了具有创新性的研究成果，但是仍有一些理论和技术方面的工作值得进一步地探讨与完善，主要体现在如下几个方面：

（1）制备加工技术不完善。目前部分复杂超材料存在制备成本高、可重复性差以及精细加工能力弱等问题，难以满足日益变化与发展的WPT技术的需求。

（2）损耗一般较高。超材料单元设计一般采用基于PCB工艺的阵列金属LC谐振结构，而谐振会导致局部电场强度过大，金属本身也存在电导损耗，因此会使得超材料单元损耗往往较高。

（3）理论分析不完备。目前对于超材料介入无线电能传输技术的理论多集中于微波波段，而对于低工频电磁场缺乏相应的理论分析，这导致电气工程师及相关科研工作者难以理解，无法普及应用。

（4）工作频率单一、频带窄。目前大多数研究都聚焦于单频传能，且鲁棒性弱，传输性能极易受频率变化影响，不能满足双频、甚至多频无线传能需求。

（5）智能调控能力弱。现阶段具体研究的超材料一旦设计出来具有固定的电磁参数，极大地限制了其灵活应用，无法满足无线电能传输系统多场合下不同的电磁调控需求。

其他还存在对超材料在服役条件下适应性和可靠性状况尚不明确，在实现最大化超材料的超常物理特性的同时不牺牲其他传输性能以及对复合场（电磁场、温度场、机械力等）响应特性尚不清晰等问题与挑战。

图3 加载超材料的WPT系统典型示意图

超材料因其特殊的电磁性能，在无线电能传输系统中拥有巨大的应用潜力与发展空间。目前超材料朝着低频化、大功率、可调性、多功能以及智能化等迅猛发展。

（1）低频化设计。

目前对超材料与超表面介入无线电能传输的研究多聚焦在高频领域（MHz及以上），对低频超材料与超表面作用于无线电能传输系统缺乏相应的理论分析与设计方法。事实上，目前对无线电能传输技术的主流研究频段为低频工程电磁场频段（kHz与低MHz）。因而，对低频超材料与超表面介入无线电能传输系统的研究将极大推动其在电气工程领域的应用。

（2）大功率传输。

目前对超材料与超表面介入无线电能传输的研究还处于初级阶段，大多数研究还聚焦于小功率（W级别）应用领域，如照明和便携式电子设备等，在大功率场合下（kW级别）如电动汽车，研究还相对较少。因此，如何对全系统进行优化设计，获得更大的功率是未来研究的热点问题。

（3）强可控可调。

以往研究超材料与超表面在调控无线电能传输系统电磁场与电磁波调控方面多依赖有限元仿真软件，单元设计单一、缺乏精准调控。因此，分析研究不同外场影响下超材料效应的演变规律，将促进超材料与超表面在无线电能传输系统中的作用向定量化、可控化发展。

（4）电磁屏蔽作用。

目前国内外对超材料与超表面介入无线电能传输系统的研究与综述绝大部分集中在聚焦超材料，主要用于提高无线电能传输系统的传输效率、增大传输距离或提升系统抗偏移性等。然而无线电能传输系统电磁安全问题是无线电能传输技术推广和应用的前提，因此也将成为不可或缺的研究方向。

（5）编码超材料与超表面。

未来的超材料与超表面应具有可重构、自组织、可交互能力。编码超材料与超表面是通过对超材料基本单元的相位或者幅度进行二进制状态编码，使其在工作频段内实现多种不同的功能。相较传统的基于等效媒质理论的“模拟超材料”，具有更加简单的设计流程和表征方式。因此，编码超材料应用在无线电能传输系统中将成为未来研究热点。

人类对能源的需求与探索从未间断，无线电能传输技术将为能源“插上翅膀”，而超材料的应用将为该技术锦上添花。正如特斯拉的愿景：“THE TRANSMISSION OF ELECTRICAL ENERGY WITHOUT WIRES AS A MEANS FOR FUTURE PEACE”。经过一代代科研工作者对无线电能传输技术和超材料迭代研究，该愿景也将在不久的将来得以实现。

本工作成果发表在2023年第20期《电工技术学报》，论文标题为“基于超材料与超表面的无线电能传输技术研究现状与进展综述”。本课题得到国家自然科学基金青年科学基金的支持。