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无线电能传输（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，寻找一种兼顾高发射/接收端面积比、低待机功率损耗以及良好电磁兼容性的传输方案仍是一个亟待解决的难题。
近期，同济大学物理学院郭志伟副教授、陈鸿教授团队与电信学院李云辉教授合作提出一种“反共振-共振”型宇称-时间反对称（Anti-PT）的非厄密系统，并利用其中的能级钉扎效应实现高效无线电能传输。此成果已经发表于《国家科学评论》2024年第1期，标题为 “Level pinning of anti-PT-symmetric circuits for efficient wireless power transfer”，郭志伟副教授、李云辉教授和陈鸿教授为共同通讯作者。
随着非厄密物理的显著发展，宇称-时间对称性为现代WPT技术革新提供了新的原理支撑。该项工作提出“W型”反共振结构，并将非厄密物理中的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对称系统具有的“能级钉扎”效应。与传统的“共振-共振”（RTC）型WPT相比，“反共振-共振”（ATC）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。同时考虑到器件的小型化和集成化，该工作采用“合成维度”设计了紧凑型“超构线圈”，并用于构造高阶Anti-PT对称系统，进而实现了稳定且高效的WPT。
图1：三阶Anti-PT对称系统及“能级钉扎”效应
研究团队明确了反共振-共振（ATC）型方案用于构造Anti-PT对称系统的有效性。其中耦合能量传输系统中，左侧是具有两个失谐模式的发射端，其提供了W型反共振。而右侧是具有一个共振模式的接收端，其提供了一个洛伦兹型共振。两个反共振模式间存在虚耦合γ，表现出能级吸引；而反共振和共振模式间存在实耦合κ，表现出能级排斥：两者间的竞争抵消导致了新奇的能级钉扎效应——改变发射端与接受端之间的距离或者面积比，系统始终具有一个实数的本征频率。值得注意的是，基于上述模型，研究者借助旁路集总电容元件构建了超构线圈谐振子。不同于传统的RTC型方案，该项工作提出的超构线圈打破了n阶系统需要n个谐振线圈的固有思路，可以有效地提升系统集成度。在构造的ATC方案中，通过调节集总电容可以调节虚耦合强度，同时通过改变发射端与接收端线圈尺寸比R/r可以调节实耦合强度，进而利用这两种近场耦合机制的竞争抵消可以实现新奇的能级钉扎效应。与常规RTC方案进行比较，ATC方案在工作频率处的传输效率显著提高，同时待机功率损耗显著降低，兼具节能性与高效性。此外，该项工作还对系统的电磁兼容性进行了对比实验研究。对于ATC方案而言，发射线圈的磁场泄露强度明显弱于RTC方案。较低的电磁泄露也意味着ATC方案具有更好的电磁兼容性，对环境更加友好，更具安全性。该项工作基于高阶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物理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2：ATC方案与常规RTC方案传输效率、待机功率以及电磁兼容性的比较
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