随着电子信息技术的飞速发展,近年来无线能量传输技术得到了广泛的关注,无线能量传输技术在智能手机终端、电动汽车等领域已经实现了广泛的应用,而人们对无线能量传输的传输距离和传输效率也逐渐提出了更高的要求。对于中远距离的微波能量传输系统来说,会使用特定的波束方式进行能量传输,其中常用波束有定向高增益波束和近场聚焦波束。近场聚焦波束可以将电磁能量在指定位置处进行汇聚,可以在较小的接收口径下得到较高的传输效率,在点对点的无线能量传输系统中已经得到广泛应用。而零阶贝塞尔无衍射波束由于其波束能量较为集中、波束发散效果小等特点,在无线能量传输领域有着比较大的应用潜力。电磁超表面是一种由人工设计的可以实现特殊电磁功能的结构,通过合理的设计可以灵活调控电磁波极化、幅度及相位等特性,它的发展也给无线能量传输系统的设计提供了一种更加方便、灵活的方法。本文以透射电磁超表面为基础,深入研究基于近场聚焦波束的高效无线能量传输技术,通过分析馈源喇叭天线的参数,并结合焦径比来优化了在一个指定口径上的聚焦传输效率,同时结合设计的接收超表面在室内环境进行了无线能量传输的实验。针对多目标无线能量传输的系统,分析并研究了零阶贝塞尔波束的无衍射特性,利用其波束能量集中的特性构造了对同一路径上多目标的无线能量传输系统。最后对比了定向波束、聚焦波束和零阶贝塞尔波束的波束传输特性,并设计和分析了一款小型化的接收超表面。本文的具体研究内容包括以下几个方面:1.基于透射电磁超表面的近场聚焦高效无线能量传输系统研究及设计。分析并优化设计了单焦点的透射聚焦电磁超表面,针对不同接收口径的聚焦无线能量传输,从透射超表面单元开始,分析了馈源照射超表面的照射效率和口径利用率。并根据所需求的接收口径分析并选择了合适的馈源喇叭天线的参数和焦径比,使得在当前的接收口径下可以获得最高的传输效率,同时对存在介质遮挡下近场聚焦波束的能量传输进行了分析。最后加工了口径为450mm×450mm、工作于10GHz的透射电磁超表面,实验中构造了高效的聚焦无线能量传输系统,同时也表明根据接收口径合理的选择馈源的参数和焦径比可以在一定程度上提高聚焦波束的传输效率。2.基于透射电磁超表面的零阶贝塞尔无衍射波束的多目标无线能量传输的研究及设计。针对同一路径多目标的传输系统,利用零阶贝塞尔波束焦深长、波束能量集中的特性进行设计。提出通过分区域改变零阶贝塞尔波束圆锥出射半角的设计方法,该方法可以使得波束能量在传输路径上分布更加均匀,同时分析了零阶贝塞尔波束在不同接收口径下、不同接收间距下、不同接收位置下及不同波束传输距离下的能量传输情况。加工了一块口径为360mm×360mm、工作于10GHz的透射电磁超表面,并在微波暗室进行了多目标接收的能量传输实验,实验表明在合适的接收口径及接收间距下,在贝塞尔波束的传输路径上放置的多个接收目标可以得到几乎相同的传输效率。3.定向波束、近场聚焦波束和零阶贝塞尔波束的传输特性对比研究。针对常用于无线能量传输的3种波束:定向高增益波束、近场聚焦波束以及零阶贝塞尔无衍射波束,仿真对比了它们的近场波束电场分布情况、远场方向图及在多接收目标下的能量传输情况,分析得出3种波束的传输特性及其适合的无线能量传输的应用场景。4.小型化高效接收电磁超表面的研究及设计。针对小口径接收的无线能量传输系统需要的小型化高效接收端,设计了工作频率为10GHz、口径为25mm×25mm的小型化接收超表面,并仿真分析其表面电场和电流分布,将整流电路设计在接收超表面背面,完成了的小型化接收端的设计。