一種采用強耦合雙諧振器的無線能量傳輸系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種采用強耦合雙諧振器的無線能量傳輸系統(tǒng)，包括發(fā)射端及接收端，兩者具有相同的電路結(jié)構(gòu)，均包括正面微帶結(jié)構(gòu)、中間介質(zhì)基板和背面微帶結(jié)構(gòu)，所述正面微帶結(jié)構(gòu)印制在中間介質(zhì)基板的上表面，所述背面微帶結(jié)構(gòu)印制在中間介質(zhì)基板的下表面，所述正面微帶結(jié)構(gòu)包括正面饋電線圈和正面諧振器，所述正面饋電線圈和正面諧振器之間為鏤空結(jié)構(gòu)，所述背面微帶結(jié)構(gòu)包括背面諧振器及連接正面饋電線圈的外接端口。本實用新型通過在無線能量傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端分別采用強耦合的雙諧振器，提高了系統(tǒng)的功率傳輸效率。
【專利說明】
一種采用強耦合雙諧振器的無線能量傳輸系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種無線能量傳輸系統(tǒng)，具體涉及一種采用強耦合雙諧振器的無線能量傳輸系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]無線能量傳輸是一種很有前景的技術(shù)，在傳統(tǒng)的有線能量傳輸不方便或不能實現(xiàn)時，無線能量傳輸便能起到很好的作用。最近幾年，磁共振式的無線功率傳輸更是取得了許多的關(guān)注，尤其是該技術(shù)在非接觸式可充電公路和作為生物醫(yī)學(xué)植入器件的電源等方面的應(yīng)用。已經(jīng)有大量的科研工作者在這方面展開了研究。在各種研究方向中，最重要的研究問題之一是要怎么獲得高傳輸效率。具體地說，當線圈尺寸和傳輸距離被確定時，如何提高效率是一個很大的挑戰(zhàn)。
[0003]目前已經(jīng)出現(xiàn)了很多種在發(fā)射器和接收器之間提高功率傳輸效率的方法。在文獻《D.Ahn，and S.Hong,uA study on magnetic field repeater in wireless powertransfer，，，IEEE Trans.Ind.Electron.，vol.60，n0.I，pp.360-371 ,Jan.2013.》中，研究了用繼電器線圈提高發(fā)射器和接收器之間的磁耦合，提高工作效率的方法。文獻《A.Rajagopalan，A.K.RamRakhyani，D.Schurig,and G.Lazzi，“Improving powertransfer efficiency of a short-range telemetry system using compactmetamaterials，”IEEE Trans.Microw.Theory Techn., vol.62,n0.4,pp.947-955,Apr.2014.》將負磁導(dǎo)率的超材料用來增強發(fā)射器和接收器的相互耦合，從而提高效率^然而，在很多應(yīng)用上并不總是適合在發(fā)射器和接收器之間放置繼電器線圈或超材料。文獻《T.C.Beh，M.Kato，T.1mura，S.0h，and Y.Hori，“Automated impedance matching systemfor robust wireless power transfer via magnetic resonance coupl ing，，，IEEETrans.1nd.Electron.,vol.60，n0.9，pp.3689-3698，Sep.2013.》和《J.Kim，D_H.Kim，andY-J.Park，“Analysis of capacitive impedance matching networks for simultaneouswireless power transfer to multiple devices，，，IEEE Trans.1nd.Electron, ,vol.62,n0.5，pp.2807-2813，May.2015.》采用了在交流源和發(fā)射器之間，以及接收器和負載之間設(shè)計阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的方法。雖然功率傳輸效率可以得到提高，然而需要接入額外的電路，使整個系統(tǒng)變得更復(fù)雜D文獻《H_D.Lang，A.Ludwig，and C.D.Sarris , “Convex optimizat1nof wireless power transfer systems with multiple transmitters，，，IEEETrans.Antennas Propag.，vol.62，n0.9，pp.4623-4636，Sep.2014》則在一個無線功率傳輸系統(tǒng)中采用多個接收器，提高系統(tǒng)總的功率傳輸效率。然而，該設(shè)計并不適合點對點功率傳輸應(yīng)用。
[0004]所有上述研究利用三維的金屬線圈設(shè)計無線能量傳輸系統(tǒng)的信號發(fā)射器和接收器，這往往會導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大，不適合應(yīng)用于小型電子設(shè)備。相對應(yīng)的，將電路設(shè)計在平面印刷電路板中具有更小的體積，更易加工制作并應(yīng)用在電子設(shè)備中。然而，設(shè)計在印刷電路板上的線圈的品質(zhì)因數(shù)較低，會降低功率傳輸效率。為了解決這個問題，文獻《F.Jolani，Y.Yu, and Z.Chen ,uA planar magnetically coupled resonant wireless powertransfer system using printed spiral coils，，，IEEE Antennas WirelessPropag.Lett, ,vol.13，pp.1648-1651，2014.》采用并聯(lián)電流路徑技術(shù)，降低了諧振器的阻抗，將功率傳輸效率提高到81.6%。除了品質(zhì)因數(shù)外，工作頻率也會影響傳輸效率。文獻《A.S.Y.Poon，S.0’Driscoll,and T.H.Meng，，，Optimal frequency for wireless powertransmiss1n into dispersive tissue，，IEEE Trans.Antennas Propag, vol.58 ,n0.5,pp.1739-1750，May.2010》對系統(tǒng)的最佳工作頻率進行分析，并選擇相應(yīng)頻率以提高效率。此夕卜，文南犬《R_F.Xue，K_W.Cheng,and M.Je，“High-efficiency wireless power transferfor b1medical implants by optimal resonant load transformat1n，，，IEEE TransCircuits Syst.1 ,Reg Papers ,vol.60 ,n0.4 ,pp.867-874,Apr.2013.》的分析表明，最佳負載的選擇也有助于獲得高效率。盡管通過各種技術(shù)的研究，可以提高加工在印刷電路板上的電路的傳輸效率，然而相比于采用三維的金屬線圈設(shè)計的電路，效率還是較低。因此，研究新的技術(shù)，進一步提高加工在印刷電路板上的電路的傳輸效率具有重要意義。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點與不足，本實用新型提供一種采用強耦合雙諧振的無線能量傳輸系統(tǒng)。
[0006]本實用新型在無線能量傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端分別采用雙諧振器結(jié)構(gòu)，通過雙諧振器之間的強耦合作用，提高無線能量傳輸系統(tǒng)的傳輸效率;同時，通過將饋電線圈和兩個諧振器設(shè)計在同一塊印刷電路板上，減小了電路的體積。
[0007]本實用新型采用如下技術(shù)方案:
[0008]—種采用強耦合雙諧振器的無線能量傳輸系統(tǒng)，包括發(fā)射端及接收端，所述發(fā)射端及接收端具有相同的電路結(jié)構(gòu)，均包括正面微帶結(jié)構(gòu)、中間介質(zhì)基板和背面微帶結(jié)構(gòu)，所述正面微帶結(jié)構(gòu)印制在中間介質(zhì)基板的上表面，所述背面微帶結(jié)構(gòu)印制在中間介質(zhì)基板的下表面，所述正面微帶結(jié)構(gòu)包括正面饋電線圈和正面諧振器，所述正面饋電線圈和正面諧振器之間為鏤空結(jié)構(gòu)，所述背面微帶結(jié)構(gòu)包括背面諧振器及連接正面饋電線圈的外接端口，背面諧振器與正面諧振器相平行。
[0009]所述正面饋電線圈由第一微帶線、第二微帶線、第三微帶線、第四微帶線及第五微帶線依次連接構(gòu)成，其中第一微帶線的末端及第五微帶線的末端分別通過金屬化過孔與背面的外接端口連接。
[0010]所述正面諧振器由第七微帶線、第八微帶線、第九微帶線、第十微帶線、第十一微帶線、第十二微帶線、第十三微帶線、第十四微帶線、第十五微帶線、第十六微帶線、第十七微帶線、第十八微帶線及第一電容依次連接構(gòu)成，所述第一電容連接在第十二微帶線及第十八微帶線之間。
[0011]所述背面諧振器與正面諧振器結(jié)構(gòu)相同，所述背面諧振器由第二十微帶線、第二十一微帶線、第二十二微帶線、第二十三微帶線、第二十四微帶線、第二十五微帶線、第二十六微帶線、第二十七微帶線、第二十八微帶線、第二十九微帶線、第三十微帶線、第三十一微帶線及第二電容依次連接構(gòu)成，所述第二電容連接在第二十五微帶線及第三十一微帶線之間。
[0012]當無線能量傳輸系統(tǒng)作為發(fā)射端時，所述外接端口作為輸入端口I/P，連接信號源的兩端；當無線能量傳輸系統(tǒng)作為接收端時，所述外接端口作為輸出端口0/P，連接負載的兩端。
[0013]所述第一及第五微帶線與第九微帶線平行，所述第二微帶線與第十微帶線平行，所述第三微帶線與第十一微帶線平行，所述第四微帶線與第八微帶線平行。
[0014]本實用新型的有益效果:
[0015](I)本實用新型通過在無線能量傳輸系統(tǒng)的發(fā)射/接收端中引入強耦合的雙諧振器，提高了系統(tǒng)的功率傳輸效率；
[0016](2)本實用新型將兩個諧振器連同饋電線圈設(shè)計在同一塊印刷電路板上，減小了電路系統(tǒng)的尺寸，節(jié)約了成本。
【附圖說明】
[0017]圖1是本實用新型的正面結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖2是本實用新型的背面結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖3是本實用新型的尺寸標注圖。
[0020]圖4是本實用新型實施例在傳輸距離為15cm時不同頻率下的仿真與測量結(jié)果。
[0021]圖5是在工作頻率為13.56MHz時傳統(tǒng)的無線能量傳輸系統(tǒng)與本實用新型實施例在不同傳輸距離下的測量結(jié)果比較。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合實施例及附圖，對本實用新型作進一步地詳細說明，但本實用新型的實施方式不限于此。
[0023]實施例
[0024]圖1-圖2所示，一種基于發(fā)射/接收端中采用強耦合雙諧振器的無線能量傳輸系統(tǒng)，包括發(fā)射端及接收端，所述發(fā)射端和接收端具有相同的電路結(jié)構(gòu)，均包括正面微帶結(jié)構(gòu)、中間介質(zhì)基板及背面微帶結(jié)構(gòu)，所述正面微帶結(jié)構(gòu)印制在中間介質(zhì)基板的上表面，所述背面微帶結(jié)構(gòu)印制在中間介質(zhì)基板的下表面，所述正面微帶結(jié)構(gòu)包括正面饋電線圈和正面諧振器，所述背面微帶結(jié)構(gòu)包括背面諧振器及連接正面饋電線圈的外接端口。正面諧振器與背面諧振器相平行。通過發(fā)射/接收端中兩個諧振器之間的強耦合效應(yīng)，提高功率傳輸效率。
[0025]所述正面饋電線圈和正面諧振器之間為鏤空結(jié)構(gòu)，具體為了保證饋電線圈傳輸?shù)剿稣嫖ЫY(jié)構(gòu)中的諧振器和所述背面微帶結(jié)構(gòu)中的諧振器的能量相等，諧振器與饋電線圈之間的部分介質(zhì)被移除并形成的空槽6稱為鏤空結(jié)構(gòu)，只剩小部分介質(zhì)用于固定饋電線圈。饋電線圈與諧振器之間的匹配可以通過調(diào)整饋電線圈與諧振器的距離來實現(xiàn)。
[0026]所述正面饋電線圈由第一微帶線1、第二微帶線2、第三微帶線3、第四微帶線4和第五微帶線5依次連接構(gòu)成，其中第一微帶線I末端和第五微帶線5末端分別通過金屬化過孔連接到背面的外接端口。當所述電路作為無線能量傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端時，該外接端口作為輸入端口 I/P，連接信號源的兩端，用于將交流源的能量傳輸?shù)街C振器上；當所述電路作為無線能量傳輸系統(tǒng)的接收端時，該外接端口作為輸出端口0/P，連接負載的兩端，用于將諧振器上的能量傳輸?shù)截撦d上。
[0027]所述正面諧振器由第七微帶線7、第八微帶線8、第九微帶線9、第十微帶線10、第十一微帶線11、第十二微帶線12、第十三微帶線13、第十四微帶線14、第十五微帶線15、第十六微帶線16、第十七微帶線17、第十八微帶線18和第一電容19依次連接構(gòu)成，諧振器的總長度和第一電容19共同決定諧振器的工作頻率，所述第一電容具體連接在第十二微帶線及第十八微帶線之間。
[0028]所述背面諧振器與正面諧振器結(jié)構(gòu)相同，所述背面諧振器由第二十微帶線20、第二十一微帶線21、第二十二微帶線22、第二十三微帶線23、第二十四微帶線24、第二十五微帶線25、第二十六微帶線26、第二十七微帶線27、第二十八微帶線28、第二十九微帶線29、第三十微帶線30、第三十一微帶線31和第二電容32依次連接構(gòu)成，諧振器的總長度和第二電容32共同決定諧振器的工作頻率。所述第二電容連接在第二十五微帶線及第三十一微帶線之間。
[0029]所述正面諧振器與所述背面微帶結(jié)構(gòu)中的諧振器完全相同。當諧振器的總長度確定時，兩諧振器之間的耦合強度取決于組成諧振器的微帶線線寬和中間介質(zhì)基板的厚度。
[0030]本實施例中一種基于發(fā)射/接收端中采用強耦合雙諧振器的無線能量傳輸系統(tǒng)，其發(fā)射/接收端的電路尺寸標注圖如圖3所示，以下僅僅為本實用新型的一個實例。本實例中所用的介質(zhì)基板為FR4，其厚度為1.6mm，介電常數(shù)為4.4，損耗角正切值為0.02，微帶線厚度為35um。本實施例中饋電線圈和諧振器均為正方形，其中饋電線圈的邊長1^ = 78_，線寬ffi = 7.5mm;空槽的邊長L2 = 102mm,線寬W2 = 6.0mm ；諧振器的內(nèi)圈邊長L3 = 129mm，外圈邊長La= 150_，線寬?3 = 4.5_;加載電容0? = 24(^?。電路整體尺寸為150_\ 150mm。
[0031]圖4所示是傳輸距離為15cm時本實用新型實施例在不同頻率下的仿真與測量結(jié)果，圖中縱坐標數(shù)字表示傳輸效率，單位為％。由圖可知，本實用新型提出的雙諧振器無線能量傳輸系統(tǒng)工作在13.56MHz時，傳輸效率能達到90 %。圖中測量結(jié)果與仿真結(jié)果相符合，效率的稍微偏差是由電路加工誤差引入的，屬于可接受范圍。
[0032]圖5所示是工作頻率為13.56MHz時傳統(tǒng)的無線能量傳輸系統(tǒng)與本實用新型實施例在不同傳輸距離下的測量結(jié)果比較，縱坐標數(shù)字表示傳輸效率，單位為％。由圖中可以看出，傳統(tǒng)的無線能量傳輸系統(tǒng)最高傳輸效率為80%，本實用新型實施例的最高傳輸效率能達到90%，提高了 10%的功率傳輸效率。以上測試結(jié)果證明了本實用新型設(shè)計理論的正確性和可行性。
[0033]綜上所述，本實用新型提出了一種基于發(fā)射/接收端中采用強耦合雙諧振器的無線能量傳輸系統(tǒng)，該電路通過在無線能量傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端分別采用強耦合的雙諧振器，提高了無線能量傳輸系統(tǒng)的傳輸效率。不僅如此，通過將饋電線圈和兩個諧振器設(shè)計在同一塊印刷電路板上，減小了電路的體積。
[0034]上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種采用強耦合雙諧振器的無線能量傳輸系統(tǒng)，包括發(fā)射端及接收端，所述發(fā)射端及接收端具有相同的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，均包括正面微帶結(jié)構(gòu)、中間介質(zhì)基板和背面微帶結(jié)構(gòu)，所述正面微帶結(jié)構(gòu)印制在中間介質(zhì)基板的上表面，所述背面微帶結(jié)構(gòu)印制在中間介質(zhì)基板的下表面，所述正面微帶結(jié)構(gòu)包括正面饋電線圈和正面諧振器，所述正面饋電線圈和正面諧振器之間為鏤空結(jié)構(gòu)，所述背面微帶結(jié)構(gòu)包括背面諧振器及連接正面饋電線圈的外接端口，背面諧振器與正面諧振器相平行。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述正面饋電線圈由第一微帶線、第二微帶線、第三微帶線、第四微帶線及第五微帶線依次連接構(gòu)成，其中第一微帶線的末端及第五微帶線的末端分別通過金屬化過孔與背面的外接端口連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述正面諧振器由第七微帶線、第八微帶線、第九微帶線、第十微帶線、第十一微帶線、第十二微帶線、第十三微帶線、第十四微帶線、第十五微帶線、第十六微帶線、第十七微帶線、第十八微帶線及第一電容依次連接構(gòu)成，所述第一電容連接在第十二微帶線及第十八微帶線之間。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述背面諧振器與正面諧振器結(jié)構(gòu)相同，所述背面諧振器由第二十微帶線、第二十一微帶線、第二十二微帶線、第二十三微帶線、第二十四微帶線、第二十五微帶線、第二十六微帶線、第二十七微帶線、第二十八微帶線、第二十九微帶線、第三十微帶線、第三十一微帶線及第二電容依次連接構(gòu)成，所述第二電容連接在第二十五微帶線及第三十一微帶線之間。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，當無線能量傳輸系統(tǒng)作為發(fā)射端時，所述外接端口作為輸入端口 I/P，連接信號源的兩端；當無線能量傳輸系統(tǒng)作為接收端時，所述外接端口作為輸出端口 0/P，連接負載的兩端。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述第一及第五微帶線與第九微帶線平行，所述第二微帶線與第十微帶線平行，所述第三微帶線與第十一微帶線平行，所述第四微帶線與第八微帶線平行。
【文檔編號】H02J50/12GK205622333SQ201620233075
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年3月24日
【發(fā)明人】章秀銀, 林杰凱, 杜志俠, 李斌
【申請人】華南理工大學(xué)