近年来,日益增长的市场需求促进了无线电能传输技术的研究和应用。然而,经过近十年的研究,传统方法如线圈优化设计、控制算法等措施对效率的提升已越来越接近技术的极限,因为它们难以克服效率随传输距离增加而指数下降的固有属性。利用超材料操控电磁场的方法为提高无线电能传输系统的效率提供了新思路。本文探讨了变换光学方法和超材料在近场磁耦合式无线电能传输中应用的可行性,并给出了初步的实验验证结果。首先,分析了基于坐标变换和共形变换的变换光学理论,分别给出了两种理论推导材料电磁张量的方法。以“隐身衣”的设计为例,比较了两种方法在应用范围、材料参数、制作难度等方面的优缺点。其次,基于坐标变换方法,研究设计了一种可以等效移动内部空间或物体的移位介质,讨论了三维移位介质应用于无线电能传输时的两种模型:可将线圈整体移动到外部的圆锥形移位介质壳体,以及可在移动线圈的同时放大线圈半径的移位介质层。推导和计算了两种模型所需的材料电磁参数,其中,移位介质壳体具有材料参数均匀的优点。仿真分析了两种模型的电磁场分布和线圈互感,仿真结果表明:两种移位介质模型均能达到预期的移位（或放大移位）效果,从而可增强无线电能传输系统中的磁耦合强度。文中还从实际制作的角度,讨论了材料损耗和阻抗不匹配对移位介质效果的影响。为了提高实现的可行性,本文基于等效媒质理论和Nelder-Mead算法,对严格参数的圆锥形移位介质壳体进行了分层优化,最终可利用2种均匀且各向同性的正材料组成壳体的侧面;用5种均匀且各向同性的等厚材料层组成壳体的底部,其中只需要3种负材料,该优化方法避免了有源负材料的使用,大大降低了制作难度。此外,本文基于开口谐振环结构设计了两种低频磁性超材料:其一是一种工作频率为4MHz、等效磁导率可调的磁性单元结构,通过调整该单元结构中的极板宽度,可以得到圆锥形移位介质壳体所需的3种负磁导率;其二是一种工作频率为6.78MHz、等效磁导率为-1的单元结构,仿真结果表明,该单元结构周期性排列组成的超材料平板可以汇聚发散的磁场,增强接收线圈附近的磁场强度。文中还以4MHz单元结构为例,探讨了设计过程中影响等效磁导率和损耗率的关键因素。根据上述设计结果,本文制作了6.78MHz的单元结构,并组装成不同结构的超材料装置:一块或两块超材料平板、二维超材料和三维超材料。利用自主设计的6.78MHz谐振式无线电能传输试验平台,对上述超材料进行了测试和功率传输实验。网络分析仪的测试结果表明:两块超材料平板之间存在最佳间距使系统效率达到最大;所有装置放在中间位置（或中间位置附近）时对效率的提升效果最好;中间位置时三维超材料对效率的增强效果最明显。最后,利用该试验平台成功点亮了60cm外额定功率为15W的白炽灯,测量了使用不同超材料时的系统效率,进一步验证了网络分析仪的测试结果:放在中间位置的三维超材料对效率的提升效果最佳,可将系统的传输效率从16%提升到40%。