为实现胃肠道胶囊机器人多维无线能量传输，减小接收线圈的绕制维度、体积与产热，设计了一种双维正交矩形螺线管对发射线圈结构。可通过控制不同组发射线圈的电流来改变合成磁场方向，同时该结构发射线圈内部可嵌入磁芯，其线圈间距也可根据检测者体型灵活调整，减小功率损耗。建立了所构建无线能量传输系统的理论模型，通过有限元仿真验证磁芯对系统性能的提高，最后通过搭建实验平台进行测试，优化了单维接收线圈的参数，同时实验验证了该系统在不同发射线圈间距下的可行性。实验结果表明，在线径为0.05 mm的条件下，所构建系统接收线圈的最佳绕制股数为12，优化后的匝数为120。当发射电压为15 V，发射线圈间距为300 mm的条件下得到的中心最小接收功率为1 578 mW，能量传输效率为3.85%。该系统在300~500 mm发射线圈间距下均可满足胶囊机器人的功率需求。

在激光无线能量传输（LWPT）中，传能激光波长、光功率和光电池温度对光电池的输出特性有显著影响，最大功率跟踪（MPPT）技术可解决上述等因素造成的功率失配问题，提升系统的DC-DC效率。构建了针对LWPT的MPPT集成仿真系统，耦合了波长、光功率和温度对GaAs光电池输出特性的综合影响，可以同时分析光电池在功率匹配、功率失配和MPPT调制等多种条件下的输出特性。基于该仿真系统，研究了光电池在不同波长、光功率和温度条件下的物理规律。波长增大时，在850 nm左右转换效率η_max达到最大值为50%，波长继续增大，光子能量小于GaAs禁带宽度导致η_max迅速下降。功率增大时，η_max基本不变，最大功率匹配电阻R_Lmax减小。温度升高时，η_max和R_Lmax均持续下降。此外，研究了光电池在功率失配时的输出特性，此时光电池的转换效率对比功率匹配时均有不同程度的下降。根据光电池的输出特性在仿真系统设计了MPPT电路，利用时间扰动算法进行最大功率跟踪。光电池在MPPT系统调制后均可工作在功率匹配时的最大功率点，且光电池能源利用率达到99.93%。研究结果对用于激光输能有重要指导意义。

激光无线能量传输在为远距离设备供能方面有着潜在的应用前景，在激光无线传能的同时进行激光无线通讯，具有重要的应用价值。针对砷化镓太阳能电池，对激光传能系统在无线能量传输时激光无线通讯性能进行了测试。实验采用波长808 nm激光实现砷化镓太阳能电池的能量传输，采用波长650 nm激光作为信号的传输，分别对单能量传输、单信号传输以及能量和信号同步传输三种情况下的砷化镓太阳能电池的输出特性进行了测试。结果表明：当单能量传输时，太阳能电池的性能与激光功率密度的大小密切相关，激光功率密度在54.9~90 mW/cm²范围内光电转换效率最大值为46.6%；当单信号传输时，通过测量系统的频率响应得到砷化镓太阳能电池的3 dB带宽约为3.7 kHz，并通过设计放大电路提高系统的通信性能，优化输出波形，使得系统的通信速率从10 kbps提升至240 kbps，输出电压峰峰值达到7.2 V。最后实验测量了不同激光强度下可实现的通信速率，当激光功率密度为59.5 mW/cm²时可实现140 kbps的通信速率，使得激光充电系统在无线能量传输下可以进行信号的传输。

激光无线能量传输中，激光光强分布不均匀和激光光斑与光电池形状不匹配会导致系统光电转换效率降低，局部温度过高，极端条件下甚至对光电池造成损伤。基于分布式匀化思想设计了一种激光接收装置，首先用光学整形扩散片在光电池各子区域进行光束初次匀化，然后用光学漏斗进行二次匀化和整形。针对1 cm×1 cm光电池，分析了光学整形扩散片的扩散角度和光学漏斗的高度对光束匀化效果的影响，优化后的激光接收装置的耦合效率η_c>95%，光强不均匀度Δ<0.05。此外，该激光接收装置对激光入射角不敏感，入射角为20°时，η_c>80%。搭建了3×3光电池芯片阵列的激光无线输能系统，采用分布式匀化激光接收装置，光强不均匀度由0.34降到0.12，光电池转换效率提升了65%。与正入射时相比，入射角为18°时，系统转换效率变化小于20%。结果表明，该分布式匀化激光接收装置有效提高了接收端的光强均匀性和系统光电转换效率，且对激光入射角不敏感，在激光无线能量传输中有重要作用。

1016001Wireless Power Transfer (WPT) and energy harvesting technologies are expected to provide revolutionary technological changes in important fields such as 5G communications and the Internet of Things. The short-range coupling WPT has gradually been commercialized, but there are still many technical bottlenecks in the practical process of microwave power transmission that can realize long-distance applications, such as the contradiction between the limited aperture of transceiver antennas and the WPT efficiency. The developments of electromagnetic metamaterials and metasurfaces have brought new breakthroughs for solving the above-mentioned problems. In this paper, we will focus on the combination of the two important technologies, and systematically review the applications of metamaterials in microwave wireless power transfer and wireless energy harvesting. The results show that the near-field focusing metasurface can significantly improve the transfer efficiency. We will also introduce the research progress of optically transparent metasurfaces and reconfigurable metasurfaces for improving WPT performance and practicability. Based on the periodically close arrangements of subwavelength metamaterial units, a wireless energy harvester with wide-angle incidence and polarization-insensitive characteristics is designed, which can replace conventional receiving antennas with higher harvesting efficiency. Furthermore, coplanar integration with the rectifying diodes makes a new concept of the rectifying metasurface, which can simplify the overall structure, reduce the size, and improve the efficiency. Finally, we will discuss the future progress of WPT, and point out the vital role that programmable and intelligent metamaterial technologies will play very important roles in future simultaneous wireless information and power transfer systems.

为了解决微型胃肠道胶囊机器人或其他可植入医疗设备无法使用电源线供电以及无线能量发射系统性能差的问题，本文提出了一种新的U型发射线圈无线能量传输系统。与传统的螺线管对式的发射线圈相比，通过结构的改进，首次将磁芯加入到了发射线圈中。该系统可以极大地改善传输过程中传输效率低，机器人接收功率低的问题。本文建立了所提出的U型发射线圈无线能量传输系统的理论模型，并通过有限元模拟对其进行了分析。搭建了U型发射线圈无线能量传输系统平台对其能量传输效率和接收线圈的接收功率进行了测试，以验证所提出设计的有效性。实验结果表明，所提出的U型无线能量传输系统的传输效率最高达到14.13%，接收功率最高为3 780.75 mW，能够满足机器人工作的功率要求。