人工电磁超表面的概念自建立以来,已在理论研究,结构设计与实际应用中取得了许多突破性的进展,目前也是集光学,微波,材料科学,生物学,系统科学等学科的交叉融合,并朝着自适应、数字化、智能化的方向发展。另一方面,无线能量传输与环境能量收集作为一种革命性的能源供应技术,涉及非常广泛的应用领域,包括智能设备技术、无线传感网络、物联网、天线工程、材料工程、传输安全、电磁兼容、应用市场开发等,并逐渐从理论研究到形成工业化和商业化体系的方向发展。超表面已在无线能量传输与环境能量收集应用中发挥着重要作用,并产生了很多新概念、新设计、新应用,为诸多科学研究和工程领域的应用开启了无限的可能性。本文主要研究基于电磁超表面的无线能量传输与环境能量收集新理论、新方法和新技术,具体研究内容如下:1.基于电磁超表面的无线能量收集结构的研究。分析了超表面调控电磁波的机理,给出了超表面能量收集结构的一般性设计方法,提出了基于环形结构和互补型结构的两种单模谐振超表面能量收集器,基于分形结构、双环形结构、嵌套环形结构、蝴蝶型结构的四种不同结构的多模谐振能量收集器的创新结构设计,利用超表面阵列结构的强谐振以及对电磁波高效的捕获特性,所提出的基于超表面的能量收集器在对应的谐振模式的频带内都能保持超过80%的能量收集效率,并且支持大角度、多极化、宽范围的电磁波能量收集,而且具有小型化,易共形的特点。对比天线在相同尺寸的情况下,表现出优于天线的高效接收能力。通过理论分析,仿真对比以及加工实验验证了超表面在无线传能与能量收集中的有效性。2.集成整流功能的超表面一体化结构设计研究。为了简化系统结构,高效收集能量并转换为直流,深入探索了电磁超表面能量收集结构的多种应用方式,提出了整流超表面的新概念和新方法,通过超表面结构与整流二极管及其电路集成排列设计并发挥超表面高阻抗,高效收集的能力,设计了基于蘑菇型结构和光子带隙结构的两种不同结构的整流超表面。通过理论分析,仿真比较,实验测试,验证了整流超表面能够在宽输入功率范围内保持较高的能量收集效率,在不改变拓扑和参数的情况下具有输入功率可调和自适应的特点,并且具备多模谐振、角度稳定、极化不敏感、小型化的优势。3.基于整流超表面的携能通信天线理论与设计。利用整流超表面的概念与设计思路,研究整流超表面的天线结构在无线能量与信息同时传输系统中的应用,提出了两种不同形式的携能通信接收天线创新设计,一种是基于整流超表面的同轴馈电微带天线,另一种是基于整流超表面的缝隙耦合天线,对两种天线分别进行了理论分析,仿真比较。实验测试验证了超表面不仅可以提高天线的性能,还可以在天线接收射频能量的同时进行整流并输出直流功率。并开展了能量与信息同传实验,利用超表面结构增强天线性能的同时捕获能量流,验证了所提出的两种整流超表面天线能够同时接收能量和信息。进一步地,通过改变加载在两种不同类型天线上超表面结构的数量,还可以按照需求将能量流和信息流在时域或者频域下进行功率分配,实现能量和信息的自适应接收权衡。4.实际测试了环境中电磁功率谱的空、时、频域分布特性,测试结果表明目前实际环境中的电磁波频谱主要分布在电视广播、无线通信频段以及Wi Fi频段并且频谱分布密度和时间、空间、发射源距离相关,但总体规律相差不大。该测试为研究设计适用于实际场景的无线能量传输和环境射频能量收集系统方案提供了数据支持。5.基于电磁超表面的无线能量传输与环境射频能量收集系统研究。提出了由电磁超表面聚焦发射阵列和超表面能量收集阵列组成的点对点无线能量传输系统。开展了无线能量传输系统性实验,实验得到最高的系统传输效率为70%。提出了由超表面能量收集阵列,整流电路以及能源管理电路组成的室内环境射频能量收集系统并开展了环境能量收集系统验证实验,实验演示了超表面系统能够收集环境中的Wi Fi能量给超级电容器充电并驱动了传感器工作,验证了超表面在无线能量传输与环境能量收集系统中的作用与优势。