近日，同济大学电子与信息工程学院电气工程系李云辉教授课题组与同济大学物理科学与工程学院陈鸿教授课题组合作在国际重要学术期刊《国家科学评论》（National Science Review，or NSR, 中国科学院主办，5年平均影响因子22.3）在线发表了关于无线电能传输的最新研究成果“Level pinning of anti-PT-symmetric circuits for efficient wireless power transfer”，提出基于“反共振-共振”型的高阶反宇称-时间（Anti-Parity-Time, Anti-PT）对称非厄密系统，并利用其中新奇的“能级钉扎”效应实现了稳定且高效的无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）。
WPT技术是一种利用电磁波直接将电能从电源传输到负载的技术，它为人们利用电能开辟了一条新途径，其对于消费电子行业、自动化工业车间以及人工智能平台等需要高自由度电能供应的场景都具有重要的应用价值。然而传统的WPT技术会受到传输距离的严重限制。尽管借助于谐振线圈之间的磁共振耦合效应可以实现中远距离的能量传输，但是由于近场耦合劈裂这一基本物理限制，如何在保持系统高传输效率的同时实现稳定的能量传输，成为目前中远程WPT领域一个很难调和的矛盾。此外，如何实现远距离、发射/接收端高面积比、低待机功率损耗、良好电磁兼容性以及多负载的稳定高效WPT仍是目前亟待解决的重要科学难题。
近年来，非厄密共振耦合理论的显著发展为现代WPT技术革新提供了新的原理支撑。本项工作打破了传统“共振-共振”耦合的无线电能传输基本架构，利用容性-感性耦合搭建出“W型”反共振发射结构，并将非厄密系统中的Anti-PT对称应用到WPT系统中。通过将反共振模式的“能级吸引”与反共振模式和共振模式的“能级排斥”结合，研究了高阶Anti-PT对称具有的“能级钉扎”效应，即耦合间距变化时系统最佳工作频率保持不变的特性。与传统的“共振-共振”型WPT相比，“反共振-共振”型WPT具有更高的安全性、稳定性、传输效率和灵活性，此外兼具更低的待机功率损耗。考虑到器件的小型化和集成化，本项工作还利用基于集总电感、电容器件的“合成维度”设计了紧凑型“超构线圈”，并构造了高阶Anti-PT对称系统，进而实现了稳定且高效的WPT。
总的来说，本项工作基于高阶Anti-PT对称系统中“能级钉扎”效应提出的新型WPT技术不仅为丰富的非厄密理论提供了良好的应用研究平台，而且为突破传统共振机制的近场应用，如共振成像、无线传感、光子路由等开辟了新的途径。
图1：(a) 反共振-共振模式耦合模型图；(b) 反共振-共振模式耦合构造三阶Anti-PT对称的相图; (c) 反共振-共振模式耦合产生“能级钉扎”效应的能级示意图。
图2：(a) 旁路电容作为“合成维度”构造的反共振线圈与普通共振线圈的耦合强度；（b）构造反共振线圈用的电路板；(c) 基于“能级钉扎”效应的稳定且高效的无线电能传输；（d）固定频率下“反共振-共振”构型与传统“共振-共振”构型传输效率对比。
我校物理科学与工程学院郭志伟助理教授、陈鸿教授与我校电子与信息工程学院电气工程系李云辉教授为共同通讯作者，电气工程系祝可嘉助理教授也为本研究工作做出了重要贡献。
该工作受到国家重点研发项目、国家自然科学基金等项目资助。
文章链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwad172
