无线能量传输技术可以为移动终端、智能家电、植入式医疗和工业传感器等设备提供丰富的供电场景。传统的无线能量传输技术利用线圈之间的近场磁耦合来传输电能,难以同时满足提高传输距离和传输效率的迫切要求。超材料具有负磁导率等可设计特性,将其置于无线能量传输系统的适合位置,可以显著增强系统的磁耦合,提升能量传输能力,从而促进无线能量传输技术的广泛应用。考虑到人体安全因素,国际主流的无线充电标准关注10 MHz以下工作频段,并且很多应用场景限定充电设备的尺寸在10 cm以内。这就意味着用于无线能量传输的超材料的单元尺寸必须小于电磁波波长的百分之一,即超材料是深亚波长尺度。超材料置于能量传输系统需要克服超材料板对传输线圈之间的自由空间的阻挡等问题,即超材料需要优化放置位置。因此,本文针对制约超材料增强无线能量传输应用的超材料单元设计和超材料位置优化问题开展研究。本文针对双层螺旋线超材料单元,建立等效电路模型,提出一种内置过孔和外加电容的方形螺旋线单元结构,充分利用了螺旋线的等效电感和电容,有效降低了超材料的工作频率。建立有限元仿真模型基于S参数反演法进行超材料单元等效磁导率的提取,设计出工作在6.78 MHz的深亚波长负磁导率超材料,电磁波波长与单元尺寸比值约为1000,并通过了实验验证。本文针对双线圈无线能量传输系统,建立等效电路模型,分析影响系统性能的关键因素。将线圈系统简化成磁偶极子模型,分析超材料对线圈之间互感的影响。使用有限元分析法研究超材料对无线能量传输系统传输性能的增强作用,对比各向同性和各向异性超材料的区别,比较中间放置和侧边放置的超材料板对系统性能的影响,发现了各向异性的侧边放置的超材料板对线圈之间磁耦合通路的增强现象。实验结果表明在传输距离为21 cm时,单块中间放置的超材料板对系统传输系数|S₂₁|带来167%的增强,侧边放置的超材料板则带来约200%的增强。本文提出的改进型方螺旋超材料单元结构,具有结构紧凑和工作频率低等优点。侧边放置超材料板在增强无线能量传输系统性能的同时也能够保持线圈之间的自由空间,丰富了超材料板的应用场景。通过实验验证的仿真模型为超材料设计和无线能量传输系统分析提供了理论支持。