本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，它涉及一種高q值的體積緊湊型諧振腔，該諧振腔可以進(jìn)行多方向耦合，從而達(dá)到進(jìn)行多方位的無線功率傳輸?shù)哪康?。具體涉及一種用于無線功率傳輸?shù)慕贿B式諧振腔。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，電子設(shè)備在人們的生活中逐漸發(fā)揮著不可替代的作用，而電子設(shè)備通常都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)：電池容量不高；因此人們常常需要攜帶與電子設(shè)備相匹配的充電器以達(dá)到及時(shí)充電的目的。此時(shí)，無線充電的興起恰好可以很好的解決傳統(tǒng)有線充電的問題。到目前為止，無線功率傳輸通?？梢苑譃槿箢悾弘姶鸥袘?yīng)式無線功率傳輸、耦合諧振式無線功率傳輸、電磁輻射式無線功率傳輸。

電磁感應(yīng)式無線功率傳輸?shù)闹饕硎请姶鸥袘?yīng)。在初級(jí)線圈和次級(jí)線圈中放入不同的磁性物質(zhì)，使得能量通過電磁感應(yīng)由初級(jí)線圈傳遞到次級(jí)線圈，從而達(dá)到無線功率傳輸?shù)哪康摹＿@種無線功率傳輸?shù)姆绞蕉嘤糜诘皖l近場(chǎng)的環(huán)境中。

無線功率傳輸按照傳播方式主要可分為無線電波式、電磁感應(yīng)式、激光式、超聲波式無線功率傳輸。其中耦合諧振式無線功率傳輸主要是通過近場(chǎng)電磁場(chǎng)耦合進(jìn)行能量傳輸。其主要原理是使得通過發(fā)射線圈和接收線圈的諧振頻率相同，以產(chǎn)生共振，從而達(dá)到能量傳輸?shù)哪康?。主要?yīng)用于高頻近場(chǎng)的環(huán)境中。

對(duì)于無線功率傳輸來說，無線功率傳輸?shù)男释ǔＪ菦Q定無線功率傳輸模型是否實(shí)用的關(guān)鍵因素之一?，F(xiàn)有的無線功率傳輸用諧振腔的體積不夠緊湊，因此無線功率傳輸?shù)男什粔蚋?，如何進(jìn)一步的提高效率是急需解決的問題之一。1988年，赫茲在驗(yàn)證麥克斯韋的波動(dòng)性理論時(shí)，實(shí)現(xiàn)了電磁波的發(fā)射與接收，這是無線功率傳輸?shù)膯⒚蓪?shí)驗(yàn)。1989年，特斯拉率先提出了無線輸能的概念，致力于實(shí)現(xiàn)全球無線輸電，并且特斯拉的實(shí)驗(yàn)成功點(diǎn)亮了26英里外的2盞50瓦的電燈。2006年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的marinsoljacic教授開創(chuàng)性的提出了利用電磁場(chǎng)的諧振耦合來進(jìn)行無線功率傳輸?shù)母拍?，并成功的在距離2.1m的地方點(diǎn)亮了一個(gè)60w的燈泡。此實(shí)驗(yàn)為無線功率傳輸?shù)难芯刻峁┝艘粋€(gè)新思路。2008年，bombardier公司研制出了一種應(yīng)用于有軌電車和輕軌的無線輸能系統(tǒng)。文中的無線功率傳輸模型是在marinsoljacic提出的磁耦合共振的啟發(fā)下提出的。這種無線輸能模型是在金屬腔內(nèi)的各個(gè)腔體通過諧振耦合實(shí)現(xiàn)無線輸能的目的，同時(shí)可以通過對(duì)腔體開槽實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)方向的耦合。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：針對(duì)現(xiàn)有諧振腔傳輸效率低的問題，本發(fā)明提供一種用于無線功率傳輸?shù)慕贿B式諧振腔。本發(fā)明基于近場(chǎng)諧振耦合的方法，提出了一個(gè)體積緊湊的高品質(zhì)因數(shù)的諧振腔模型，并使得該模型工作于π模式，達(dá)到無線功率傳輸對(duì)于效率的要求。

該模型體積緊湊，同時(shí)還可以使得具有優(yōu)良電磁特性的π模用于能量傳輸，進(jìn)一步提高了無線功率傳輸?shù)男?。該模型具有體積緊湊，高品質(zhì)因數(shù)，大量生產(chǎn)成本低，效率高的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明技術(shù)方案為：

一種用于無線功率傳輸?shù)慕贿B式諧振腔，包括諧振腔、同軸接頭，所述諧振腔腔體內(nèi)是一個(gè)圓柱形腔體，所述諧振腔上還包括上蓋板，上蓋板上設(shè)有通孔，諧振腔內(nèi)至少設(shè)有兩對(duì)扇形體葉片，扇形體葉片在同一圓周上呈中心對(duì)稱均勻分布；扇形體葉片兩端對(duì)稱設(shè)有凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)置有半徑不同的底座，相鄰扇形體葉片同一端的凹槽內(nèi)設(shè)置半徑不同的底座，相鄰扇形體葉片相對(duì)端的凹槽內(nèi)設(shè)置的底座半徑相同；

扇形體葉片同一端的凹槽內(nèi)設(shè)置圓環(huán)形的第一交連環(huán)和第二交連環(huán)，第一交連環(huán)與半徑小的底座相連，第二交連環(huán)與半徑大的底座相連；

同軸接頭的底端通過通孔伸入諧振腔的腔內(nèi)并固定在諧振腔內(nèi)的一個(gè)扇形體葉片上。所述的一種用于無線功率傳輸?shù)慕贿B式諧振腔，所述同軸接頭用于連接信號(hào)源。

所述的一種用于無線功率傳輸?shù)慕贿B式諧振腔，所述諧振腔為方柱形。

所述的一種用于無線功率傳輸?shù)慕贿B式諧振腔，諧振腔側(cè)面設(shè)有開槽，或者諧振腔上與上蓋板相對(duì)設(shè)有可拆卸的下蓋板。

所述的一種用于無線功率傳輸?shù)慕贿B式諧振腔，諧振腔、同軸接頭扇形體葉片、底座、第一交連環(huán)、第二交連環(huán)的材料均為黃銅。

所述的一種用于無線功率傳輸?shù)慕贿B式諧振腔，方柱形的諧振腔邊長(zhǎng)為112mm，高為68mm，蓋板厚度為4mm。

所述的一種用于無線功率傳輸?shù)慕贿B式諧振腔，扇形體葉片的高度為50mm，諧振腔1的上蓋板11距離扇形體葉片3的高度為13mm，相鄰兩個(gè)扇形體葉片之間的空腔的弧度為50度，每個(gè)扇形體葉片的弧度為40度，交連式諧振腔的中間的圓柱形空腔半徑為14mm。由于采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明方案的諧振腔依據(jù)諧振腔近場(chǎng)諧振耦合的特點(diǎn)，可以進(jìn)行能量高效傳輸?shù)臒o線功率傳輸，實(shí)現(xiàn)了高q值、體積緊湊型的高效率能量傳輸。與現(xiàn)有的無線功率傳輸模型相比，該模型能夠高效率的進(jìn)行無線功率傳輸、使用效率更高、體積更緊湊。

該諧振腔的π模式為非簡(jiǎn)并模式，具有效率高的工作特點(diǎn)，當(dāng)該諧振腔工作于π模式時(shí)，在相鄰的諧振腔中，電磁與磁場(chǎng)幅度相同，相位相差180度。電場(chǎng)強(qiáng)度在徑向上由圓心向外依次遞減，磁場(chǎng)強(qiáng)度在徑向上由圓心向外依次遞加。也就是說諧振腔的電場(chǎng)主要集中在靠近圓心的位置，磁場(chǎng)主要集中在遠(yuǎn)離圓心的位置。正因?yàn)棣心Ｊ骄哂羞@樣的優(yōu)良特性，所以可以把π模式應(yīng)用于無線輸能。本發(fā)明根據(jù)電磁場(chǎng)在近場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生諧振耦合的特點(diǎn)使得進(jìn)行無線輸能時(shí)的效率更高。

取兩個(gè)相同的上述諧振腔，讓兩個(gè)諧振腔對(duì)稱放置,并使得兩個(gè)諧振腔的腔體相對(duì)，如圖8所示。不斷的改變兩個(gè)諧振腔之間的相對(duì)距離，經(jīng)過仿真可以計(jì)算出兩個(gè)諧振腔在不同距離時(shí)進(jìn)行無線功率傳輸?shù)男省?/p>

綜上所述，本發(fā)明應(yīng)用于無線功率傳輸中，利用近場(chǎng)電磁場(chǎng)的諧振耦合，實(shí)現(xiàn)對(duì)于能量的無線傳輸。由于該模型的基模π模的磁場(chǎng)分布特征，使得該模型具有很高的無線輸能效率，其傳輸效率可以達(dá)到87.5％。

同時(shí)，由于該模型的基模和第一個(gè)高次模都是均分式的模式，可以同時(shí)工作，具有其他模型所不具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。當(dāng)兩個(gè)諧振腔之間進(jìn)行無線功率傳輸時(shí)，由于基模π模的優(yōu)良特性，使得該諧振腔進(jìn)行無線功率傳輸時(shí)具有很高的傳輸效率。

同時(shí)該諧振腔具有很高的q值，體積緊湊，便于工程應(yīng)用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明正視橫截面結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明整體外部結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明帶交連環(huán)時(shí)的俯視圖；

圖4是本發(fā)明正面剖面結(jié)構(gòu)圖；

圖5是交連式諧振腔進(jìn)行無線功率傳輸時(shí)的結(jié)構(gòu)圖；

圖6是本發(fā)明交連式諧振腔模型的s11；

圖7交連式諧振腔在π模式下縱截面的電場(chǎng)分布；

圖8交連式諧振腔在π模式下縱截面的磁場(chǎng)分布；

圖9交連式諧振腔在π模式下橫截面的電場(chǎng)分布；

圖10交連式諧振腔在π模式下橫截面的磁場(chǎng)分布；

圖11交連式諧振腔進(jìn)行無線功率傳輸時(shí)的s11、s21；

圖12交連式諧振腔進(jìn)行無線功率傳輸時(shí)在π模式下縱截面的電場(chǎng)分布；

圖13交連式諧振腔進(jìn)行無線功率傳輸時(shí)在π模式下縱截面的磁場(chǎng)分布；

圖14交連式諧振腔進(jìn)行無線功率傳輸時(shí)在π模式下橫截面的電場(chǎng)分布；

圖15交連式諧振腔進(jìn)行無線功率傳輸時(shí)在π模式下橫截面的磁場(chǎng)分布。

圖中標(biāo)記：1-諧振腔，11-上蓋板，12-通孔，2-同軸接頭，21-同軸接頭的底端，3-扇形體葉片，4-凹槽，51-第一交連環(huán)，52-第二交連環(huán)，6-底座。

具體實(shí)施方式

本說明書中公開的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

下面結(jié)合圖1-圖15對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。

如圖1所示，一種用于無線功率傳輸?shù)慕贿B式諧振腔，包括諧振腔1、同軸接頭2，所述諧振腔1腔體內(nèi)是一個(gè)圓柱形腔體，所述諧振腔1上還包括上蓋板11，上蓋板11上設(shè)有通孔12，諧振腔1內(nèi)至少設(shè)有兩對(duì)扇形體葉片3，扇形體葉片3在同一圓周上呈中心對(duì)稱均勻分布；扇形體葉片3兩端對(duì)稱設(shè)有凹槽4，凹槽4內(nèi)設(shè)置有半徑不同的底座6，相鄰扇形體葉片3同一端的凹槽4內(nèi)設(shè)置半徑不同的底座6，相鄰扇形體葉片3相對(duì)端的凹槽4內(nèi)設(shè)置的底座6半徑相同；

扇形體葉片3同一端的凹槽4內(nèi)設(shè)置圓環(huán)形的第一交連環(huán)51和第二交連環(huán)52，第一交連環(huán)與半徑小的底座相連，第二交連環(huán)與半徑大的底座相連；

同軸接頭2的底端21通過通孔12伸入諧振腔1的腔內(nèi)并固定在諧振腔1內(nèi)的一個(gè)扇形體葉片3上。

所述的一種用于無線功率傳輸?shù)慕贿B式諧振腔，所述同軸接頭2用于連接信號(hào)源。

所述的一種用于無線功率傳輸?shù)慕贿B式諧振腔，所述諧振腔1為方柱形。

所述的一種用于無線功率傳輸?shù)慕贿B式諧振腔，諧振腔1側(cè)面設(shè)有開槽，或者諧振腔1上與上蓋板11相對(duì)位置設(shè)有可拆卸的下蓋板。

所述的一種用于無線功率傳輸?shù)慕贿B式諧振腔，諧振腔1、同軸接頭2扇形體葉片3、底座6、第一交連環(huán)51、第二交連環(huán)52的材料均為黃銅。

所述的一種用于無線功率傳輸?shù)慕贿B式諧振腔，方柱形的諧振腔1邊長(zhǎng)為112mm，高為68mm，蓋板厚度為4mm。

所述的一種用于無線功率傳輸?shù)慕贿B式諧振腔，扇形體葉片3的高度為50mm，諧振腔1的上蓋板11距離扇形體葉片3的高度為13mm，相鄰兩個(gè)扇形體葉片3之間的空腔的弧度為50度，每個(gè)扇形體葉片3的弧度為40度，交連式諧振腔中間的圓柱形空腔半徑為14mm。

一種用于無線功率傳輸?shù)慕贿B式諧振腔模型，如圖1所示，交連式諧振腔的外部是一個(gè)邊長(zhǎng)為112mm、高為68mm的方柱。交連式諧振腔內(nèi)部有四個(gè)扇形體葉片，扇形體葉片高度為50mm，每個(gè)扇形體葉片上下均有不對(duì)稱的底座，底座用于連接交連環(huán)與扇形體葉片位于底座上面的為交連環(huán)；

圖4是是本發(fā)明正面剖面結(jié)構(gòu)圖。需要說明的是，圖4只是給出了一種具體實(shí)施方式，是對(duì)本發(fā)明技術(shù)效果的證明，而并非是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的描述，應(yīng)當(dāng)確定本發(fā)明具有更多類似實(shí)現(xiàn)方案。

如圖4所示：諧振腔，即交連式諧振腔的外部是一個(gè)邊長(zhǎng)為112mm、高為68mm的方柱，上下蓋板的厚度為4mm，不過把諧振腔設(shè)計(jì)成方柱的形狀只是為了便于加工，對(duì)于實(shí)際的模型結(jié)果并沒有很大影響。交連式諧振腔內(nèi)部有四個(gè)大小、形狀均相同的扇形體葉片，扇形體葉片高度為50mm，扇形體葉片距離上蓋板的距離為13mm，扇形體葉片距離下蓋板的距離為5mm，每個(gè)扇形體葉片上下均有一個(gè)對(duì)稱的凹槽，每個(gè)凹槽上都有一個(gè)用于設(shè)置交連環(huán)的底座。用于設(shè)置交連環(huán)的底座的上方即為交連環(huán)，上下各有兩個(gè)半徑不同的交連環(huán)，即第一交連環(huán)和第二交連環(huán)。

取兩個(gè)相同的上述諧振腔，對(duì)稱放置，并使得兩個(gè)諧振腔的腔體相對(duì)，以其中一個(gè)諧振腔的同軸接頭作為端口1，把另一個(gè)諧振腔的同軸接頭作為端口2。經(jīng)過計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算，可以得到交連式諧振腔模型的s11，其中，s11指端口2接上匹配負(fù)載時(shí)，端口1的反射系數(shù)，s11的曲線圖如圖6所示；同時(shí)還可以得到上述用于無線功率傳輸?shù)慕贿B式諧振腔模型在π模式下的電場(chǎng)與磁場(chǎng)的矢量分布分別如圖7、圖8、圖9、圖10所示。其中圖7為交連式諧振腔進(jìn)行無線功率傳輸時(shí)的結(jié)構(gòu)圖，圖8為交連式諧振腔在π模式下縱截面的磁場(chǎng)矢量分布圖。其中圖9為交連式諧振腔在π模式下橫截面的電場(chǎng)矢量分布圖，圖10為交連式諧振腔在π模式下橫截面的磁場(chǎng)矢量分布圖。以上仿真結(jié)果進(jìn)一步印證了該模型π模式的存在，電場(chǎng)主要集中在靠近圓心的位置上，磁場(chǎng)主要集中在遠(yuǎn)離圓心的位置上。

通過上蓋板的同軸接頭對(duì)諧振腔饋入高斯正弦信號(hào)，得到對(duì)于π模式的s11低于-7db，對(duì)于π-1模式的s11低于-8db。π模式為非兼并模式，是諧振腔的基模。由圖7、圖8和圖9、圖10可以得出以下結(jié)論：π模式的電場(chǎng)主要集中在諧振腔靠近圓心的位置，且隨著半徑的減小而增強(qiáng)；π模式的磁場(chǎng)主要集中在諧振腔遠(yuǎn)離圓心的位置，且隨著半徑的增大而增強(qiáng)。因此，可以根據(jù)該諧振腔π模式的這種特性，通過對(duì)該諧振腔開槽的方式來進(jìn)行無線功率傳輸。

圖5給出了交連式諧振腔進(jìn)行無線功率傳輸時(shí)的一種模型示意圖。由圖5可以看到，取兩個(gè)相同的上述諧振腔，對(duì)稱放置，并使得兩個(gè)諧振腔的腔體相對(duì)，以其中一個(gè)諧振腔的同軸接頭作為端口1，把另一個(gè)諧振腔的同軸接頭作為端口2。通過不斷的改變兩個(gè)諧振腔之間的相對(duì)距離，并通過仿真測(cè)量出兩個(gè)諧振腔在不同距離時(shí)進(jìn)行無線功率傳輸?shù)男省D11給出了交連式諧振腔進(jìn)行無線功率傳輸時(shí)的s11、s21，其中，s21是指端口2接上匹配負(fù)載時(shí)，端口1與端口2之間的傳輸系數(shù)。根據(jù)計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)果，可以計(jì)算出兩個(gè)諧振腔在距離35mm時(shí)該無線功率傳輸?shù)男士梢赃_(dá)到87％。由圖12、圖13、圖14和圖15可以看到上述交連式諧振腔進(jìn)行無線功率傳輸時(shí)在π模式下縱截面和橫截面的電磁場(chǎng)分布。進(jìn)一步證實(shí)了通過對(duì)上述諧振腔開槽的方式來進(jìn)行無線功率傳輸?shù)目尚行浴?/p>