无线充电接收装置、无线充电发射装置、无线充电系统

摘要

本发明涉及无线充电接收装置、无线充电发射装置、无线充电系统。无线充电接收装置，包括接收天线；第一超材料汇聚模块，用于将电磁波汇聚到所述接收天线上；第一转换模块，用于将接收天线接收到的电磁波转换为电能，从而为待充电设备充电。无线充电发射装置包括第二转换模块：与电源连接，用于将电能转换为电磁波；第二超材料汇聚模块，用于将第二转换模块输出的电磁波汇聚成平面波后发射出去，以便由无线充电接收装置接收。本发明使得发射端将电磁波更集中地发射出去，减少了电磁波传输过程中的损耗，接收端能接收更多的电磁波能量，并能将电磁波能量尽可能多地转换为电能，提高充电效率，且能够满足较远距离的充电需求。

说明书

技术领域

本发明涉及充电技术，更具体地说，涉及无线充电接收装置、无线充电发 射装置、无线充电系统。

背景技术

无线充电技术是近来最为热门和最有潜在市场的技术之一。现有的无 线充电技术主要通过三种方式：

1)电磁感应：通过初级和次级线圈感应产生电流，从而将能量从传输端 转移到接收端，其主要技术核心为通过在两个足够接近的线圈之间产生感应电 流来进行充电。该技术的缺点在于充电距离上的限制，传输效率较低，且存在 发热问题。

2)电磁共振：利用在近场区域的电感或电容耦合在线圈之间传递能量。 可以通过调整RLC电路的Q值来实现较高的能量传输效率，但随着距离的增 加其传输效率迅速下降。

3)无线电波：利用接收电路捕捉空间中的无线电波能量，将从发送器传 递出的无线电波转化为直流电，为负载设备充电。只需一个安装在墙身插头的 发送器，以及可以安装在任何低电压产品的“蚊型”接收器，就可将无线电波 转化成直流电在约1米范围内为不同电子装置的电池充电。此技术的充电距离 和充电效率仍然有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述无线电波充电方式中 充电距离短和充电效率低的缺陷，提供无线充电接收装置、无线充电发射装置、 无线充电系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种无线充电接收装 置，包括接收天线；第一超材料汇聚模块，用于将电磁波汇聚到所述接收天线 上；第一转换模块，用于将所述接收天线接收到的电磁波转换为电能，从而为 待充电设备充电。

在本发明所述的无线充电接收装置中，第一超材料汇聚模块包括核心层， 所述核心层包括多个具有相同折射率分布的核心超材料片层，每一核心超材料 片层的折射率均呈圆形分布，圆心处折射率最大，随着半径的增大，折射率从 n_p连续减小到n₀且相同半径处折射率相同；所述核心超材料片层包括核心超 材料片层基材及周期排布于所述核心超材料片层基材表面的多个第一人造金 属微结构。

在本发明所述的无线充电接收装置中，所述第一超材料汇聚模块还包括对 称设置于所述核心层两侧的第一渐变超材料片层至第N渐变超材料片层，其 中对称设置的两层第N渐变超材料片层均靠近所述核心层；每一渐变超材料 片层折射率均呈圆形分布，圆心处折射率最大，随着半径的增大从其最大折射 率连续减小到n₀且相同半径处折射率相同，两个相邻的渐变超材料片层的最 大折射率表示为n_i和n_i+1，其中n₀＜n_i＜n_i+1＜n_p，i为正整数，n_i对应于距离所述 核心层较远的渐变超材料片层的最大折射率值；所述每一渐变超材料片层包括 渐变超材料片层基材以及周期排布于所述渐变超材料片层基材表面的多个第 二人造金属微结构；全部的渐变超材料片层和全部的核心超材料片层构成了所 述第一超材料汇聚模块的功能层。

在本发明所述的无线充电接收装置中，所述第一超材料汇聚模块还包括对 称设置于所述功能层两侧的第一匹配层至第M匹配层，其中对称设置的两层 第M匹配层均靠近所述第一渐变超材料片层；每一匹配层折射率分布均匀， 靠近自由空间的所述第一匹配层折射率大致等于自由空间折射率，靠近所述第 一渐变超材料片层的第M匹配层折射率大致等于所述第一渐变超材料片层最 小折射率n₀。

在本发明所述的无线充电接收装置中，每一渐变超材料片层和所有核心超 材料片层随着半径r的变化，折射率分布关系式为：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+r^2}-\mathrm{ss}}{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+l^2}-\mathrm{ss}}\times (n_{\max }-n_0);$

其中，n_max表示各超材料片层所具有的最大折射率值，n₀表示各超材料片 层所具有的相同的最小折射率值，ss表示所述波导距第一渐变超材料片层的垂 直距离，l表示各超材料片层所具有的相同的最大半径值。

在本发明所述的无线充电接收装置中，每层核心超材料片层还包括覆盖于 所述第一人造金属微结构上的覆盖层；周期排布于所述基材上的多个所述第一 人造金属微结构的尺寸变化规律为：多个所述第一人造金属微结构的几何形状 相同，所述第一人造金属微结构在所述核心超材料片层基材上呈圆形分布，圆 心处的第一人造金属微结构尺寸最大，随着半径的增大，对应半径的第一人造 金属微结构尺寸减小且相同半径处的第一人造金属微结构尺寸相同。

在本发明所述的无线充电接收装置中，每层渐变超材料片层还包括覆盖于 所述第二人造金属微结构上的覆盖层；周期排布于所述基材上的所述第二人造 金属微结构的尺寸变化规律为：多个所述第二人造金属微结构的几何形状相 同，所述第二人造金属微结构在所述渐变超材料片层基材上呈圆形分布，圆心 处的第二人造金属微结构尺寸最大，随着半径的增大，对应半径的第二人造金 属微结构尺寸减小且相同半径处的第二人造金属微结构尺寸相同。

在本发明所述的无线充电接收装置中，所述无线充电接收装置内置于所述 待充电设备中。

本发明还提供一种无线充电发射装置，与上述的无线充电接收装置匹配使 用，包括：

第二转换模块：与电源连接，用于将电能转换为电磁波；

第二超材料汇聚模块，用于将所述第二转换模块输出的电磁波转换成平面 波后发射出去，以便由所述无线充电接收装置接收。

本发明还提供一种无线充电系统，包括上述的无线充电发射装置和无线充 电接收装置。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：通过在无线接收装置和无线 发射装置上增加超材料汇聚模块，从而使得发射端能够将电磁波更加集中地发 射出去，减少了电磁波传输过程中的损耗，而接收端能够接收到更多的电磁波 能量，并能够将电磁波能量尽可能多地转换为电能，提高了充电效率。由于电 磁波能够更加集中地传输，发射端和接收端之间的距离不必很近，能够满足较 远距离的充电需求。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是依据本发明一实施例的无线充电接收装置的结构示意图；

图2为本发明第一超材料汇聚模块的立体结构示意图；

图3是本发明中构成第一超材料汇聚模块的核心超材料片层或渐变超材 料片层的结构示意图；

图4是构成超材料片层的基本单元的立体结构示意图；

图5是依据本发明一实施例的无线充电发射装置的结构示意图；

图6是依据本发明一实施例的无线充电系统的结构示意图。

具体实施方式

图1是依据本发明优选实施例的无线充电接收装置的结构示意图。无线充 电接收装置包括接收天线20、第一超材料汇聚模块10、第一转换模块30。

第一超材料汇聚模块10，用于将电磁波汇聚到接收天线20上；图1中示 出了第一超材料汇聚模块10的侧视图，其立体图见图2。

第一转换模块30，用于将接收天线20接收到的电磁波转换为电能，从而 为待充电设备充电。

图2为本发明第一超材料汇聚模块10的立体结构示意图。如图2所示， 第一超材料汇聚模块10包括核心层，该核心层由多个折射率分布相同的核心 超材料片层11构成；对称设置于核心层两侧的第一渐变超材料片层101至第 N渐变超材料片层，本实施例中渐变超材料片层为第一渐变超材料片层101、 第二渐变超材料片层102以及第三渐变超材料片层103；所有的渐变超材料片 层与所有的核心超材料片层构成第一超材料汇聚模块的功能层；对称设置于该 功能层两侧的第一匹配层111至第M匹配层，每一匹配层折射率分布均匀且 靠近自由空间的第一匹配层111折射率大致等于自由空间折射率，靠近第一渐 变超材料片层的最后一层匹配层折射率大致等于该第一渐变超材料片层101 最小的折射率；本实施例中匹配层包括第一匹配层111、第二匹配层112以及 第三匹配层113。渐变超材料片层与匹配层均具有减少电磁波的反射，并起到 阻抗匹配和相位补偿的作用，因此设置渐变超材料片层和匹配层是较优选的实 施方式。

为清楚介绍第一超材料汇聚模块10中的核心超材料片层11和渐变超材料 片层的结构，图3采用透视图画法。在本发明中，为简化制作工艺，核心超材 料片层和渐变超材料片层的尺寸结构相同。以核心超材料片层11为例，其包 括第一基材301以及周期排布于第一基材上的多个第一人造金属微结构302， 优选地，在多个第一人造金属微结构302上还覆盖有覆盖层303使得第一人造 金属微结构302被封装，覆盖层303与第一基材材质302相等且厚度相等。本 发明中，覆盖层303与第一基材302的厚度均为0.4毫米，而人造金属微结构 层的厚度为0.018毫米，因此整个核心超材料片层或渐变超材料片层的厚度为 0.818毫米。

构成核心超材料片层11或渐变超材料片层的基本单元仍如图4所示，但 第一超材料片层300需具有汇聚电磁波的功能，根据电磁学原理，电磁波向折 射率大的方向偏折。因此，核心超材料片层11或渐变超材料片层上的折射率 变化规律为：折射率呈圆形分布，圆心处的折射率最大且随着半径的增大，对 应半径的折射率减小且相同半径处折射率相同。具有该类折射率分布的第一超 材料汇聚模块10使得电磁波汇聚到接收天线上，接收端能够接收到更多的电 磁波能量，并能够将电磁波能量尽可能多地转换为电能，提高了充电效率。

匹配层结构也可以由覆盖层和基材构成，覆盖层和基材中间全部填充有空 气，通过改变覆盖层与基材的间距以改变空气的占空比从而使得各匹配层具有 不同的折射率。

核心超材料片层和渐变超材料片层上的折射率均呈圆形分布，圆心处的折 射率最大，随着半径的增大对应半径的折射率减小且相同半径处的折射率相 同。其中核心超材料片层具有的最大折射率为n_p，两个相邻的渐变超材料片层 的最大折射率为n_i和n_i+1，n_i对应于距离所述核心层较远的渐变超材料片层， n_p、n₀、n_i、n_i+1满足关系式n₀＜n_i＜n_i+1＜n_p。由核心超材料片层和渐变超材料片 层构成的功能层的具体每一层上具有相同半径r的超材料基本单元的折射率分 布满足：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+r^2}-\mathrm{ss}}{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+l^2}-\mathrm{ss}}*(n_{\max }-n_0)$

n_max表示各超材料片层所具有的最大折射率值，n₀表示各超材料片层所具 有的相同的最小折射率值，ss表示波导距第一渐变超材料片层的垂直距离，l表 示各超材料片层所具有的相同的最大半径值。

由超材料原理可知，基材上附着的人造金属微结构的尺寸和图案直接决定 超材料各点的折射率值。同时，根据实验可知，相同几何形状的人造金属微结 构其尺寸越大时，对应的超材料基本单元折射率越大。本发明中，为实施方便， 多个第二人造金属微结构、多个第一人造金属微结构具有相同的几何形状，因 此构成第一超材料汇聚模块10的核心超材料片层上的第一人造金属微结构排 布规律为：多个第一人造微结构为第一人造金属微结构且几何形状相同，所述 第一人造金属微结构在所述第一基材上呈圆形分布，且圆心处的第一人造金属 微结构尺寸最小，随着半径的增大，对应半径的第一人造金属微结构尺寸亦增 大且相同半径处的第一人造金属微结构尺寸相同。渐变超材料片层上的第二人 造金属微结构排布规律为：多个第二人造金属微结构的几何形状相同，所述第 二人造金属微结构在所述渐变超材料片层基材上呈圆形分布，且圆心处的第二 人造金属微结构尺寸最大，随着半径的增大，对应半径的第二人造金属微结构 尺寸减小且相同半径处的第二人造金属微结构尺寸相同。

满足上述折射率分布要求的人造金属微结构的几何形状有多种，但基本都 为能对入射电磁波产生响应的几何形状。由于改变入射电磁波磁场较为困难， 因此目前多数人造金属微结构均为能对入射电磁波电场响应的几何形状，最典 型的即为“工”字形人造金属微结构。可根据其需要的最大折射率和最小折射 率调整人造金属微结构的尺寸以使其满足要求，调整的方式可通过计算机仿真 亦可通过手工计算，由于其不是本发明重点，因此不作详细描述。

本发明中，无线充电接收装置既可以外置于待充电设备，也可以内置于待 充电设备。

图5示出了与上述的无线充电接收装置匹配使用的无线充电发射装置，包 括：第二转换模块51、第二超材料汇聚模块52。

第二转换模块51：与电源连接，用于将电能转换为电磁波。第二超材料 汇聚模块52，用于将所述第二转换模块51输出的电磁波转换成平面波后发射 出去，以便由上文所述的无线充电接收装置接收。第二超材料汇聚模块52的 结构与第一超材料汇聚模块10基本相同，都是实现电磁波的汇聚功能，其具 体构成见上文所述，此处不再赘述。

图6示出了一种无线充电系统，包括上文所述的无线充电接收装置601 和无线充电发射装置602。无线充电发射装置602与电源连接，将电能转换为 电磁波经由第二超材料汇聚模块汇聚后进行传输，无线充电接收装置601中的 第一超材料汇聚模块再次对电磁波汇聚后由第一转换模块将其转换为电能，从 而为待充电设备充电。无线充电接收装置601和无线充电发射装置602与上文 中的无线充电接收装置和无线充电发射装置相同，详细内容可参见上文所述。

通过在无线接收装置和无线发射装置上增加超材料汇聚模块。从而使得发 射端能够将电磁波更加集中地发射出去，减少了电磁波传输过程中的损耗，而 接收端能够接收到更多的电磁波能量，并能够将电磁波能量尽可能多地转换为 电能，提高了充电效率。由于电磁波能够更加集中地传输，发射端和接收端之 间的距离不必很近，能够满足较远距离的充电需求。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述 的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本 领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保 护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。