磁耦合谐振式能量传递系统是一种借助高频驱动的非辐射近场共振耦合来实现无接触式能量传递的系统,该系统包含了无线充电和磁耦合通信系统。近年来,磁耦合技术在通信领域得到了广泛的应用,它的特点是需要在一定带宽的前提下进行信息的交互,如高频标签在门禁、地铁刷卡支付等方面的使用。这种方式在传输特性、穿透性、安全性等方面相较于传统的电磁波辐射方式更具有优势。但是,磁耦合系统仍面临着很多挑战,例如射频前端阻抗的失配、带宽需求的瓶颈,这些都会直接导致磁耦合能量传递效率的下降,进而限制磁耦合应用的通信距离。因此,针对磁耦合通信距离提升的研究也成为了近年来国内外研究人员所关注的热点。本文将基于天线设计与电磁场理论,从天线间耦合优化与系统外部结构设计两个方面,研究磁耦合通信系统效率提升问题,目的是为了在保证信号带宽的同时,提高能量的传递效率,最终达到通信距离的提升。本文的研究内容主要包括:(1)针对单发射天线下射频前端阻抗失配导致传输效率低的问题,提出了一个基于射频前端阻抗网络负载优化的磁耦合能量传递设计方案,在保证了发射带宽的同时,对源到发射端的能量传递效率进行提升。同时搭建了测试天线网络参数的实验平台,进行了建模分析、推导系统参数模型以及修改阻抗匹配架构,从而获得在不同实际条件下的最优匹配。并且分析了源到负载的传递效率,通过实验得出了不同匹配模型下提升通信距离的关键点。(2)针对多天线系统在复杂条件下,因频率分裂(Frequency Splitting)导致磁耦合能量传递系统在谐振处效率低以及频率偏移致使通信距离下降的问题,提出了一种针对该场景下关键匹配因子组合搭配的优化算法。分析并推导了在一定带宽限制的条件下,效率、频率、距离和阻抗等关键因子之间的关系,并进一步分析了由于失谐而产生的频率分裂现象。理论分析和真实实验表明,本文提出的算法能够缓解频率分裂对系统本身能量传递带来的负面影响,能够有效增加多天线条件下的通信距离。(3)针对磁耦合通信系统外部设计问题,提出了一种通过优化磁性材料来激励空间场分布从而提升能量传递效率的方案。在前述优化内部电路以及谐振匹配效率的基础上,通过优化磁场分布,即通过对影响线圈的磁性材料的优化选择,使发射线圈的磁场分布更好的被激励以及更加紧密,进而提升通信距离。