用于磁共振无线电能传输提高自由度和距离的发射天线

摘要

本发明公开了一种用于磁共振无线电能传输提高自由度和距离的发射天线，包括激励线圈和发射谐振线圈；激励线圈为平面型多匝线圈；发射谐振线圈由两个平面型多匝线圈串联组成；激励线圈用于馈入电磁能量，并将电磁能量耦合到发射谐振线圈，发射谐振线圈将电磁能量通过磁共振耦合到接收线圈。在不同充电距离和高距离倾角时，本发射天线传输效率保持稳定；且本发明为宽带匹配结构，当接收在发射天线场内不同位置时，发射天线的输入阻抗变化很小，保证了功放输出阻抗与发射天线输入阻抗之间的匹配。

说明书

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种用于磁共振无线电能传输提高自由度和距离的发射天线。

背景技术

随着电子信息技术和自动化控制技术的不断发展，各式各样的家电设备和消费电子产品、移动通信设备等已得到了广泛普及，然而传统的家用电器依赖电源线和电源插座之间的有线连接来实现供电，采用内置电池的电子设备也需要充电线与电源插座之间的有线连接来进行充电，因此我们随处能看到为这些电子设备提供电能供给的电线。这些电线不仅占据了我们的活动空间，限制了设备使用的方便性，而且产生了安全用电的隐患。所以，随着人们对可以完全无线使用的便携式设备和绿色能源系统的需求的不断增长，对于无线能量传输技术的研究和应用迅速成为国内外学术界和工业界的焦点。目前业内公认的无线充电技术主要分为三类，一种是WPC联盟主推的QI标准，也称为磁感应耦合技术，另一种是Airfuel联盟主推的磁谐振耦合技术，还有一种是电磁辐射式无线输能技术。相比于磁感应技术，磁谐振耦合技术在充电距离、空间自由度、一对多充和功率扩展上有明显优势；而相比于电磁辐射式无线输能技术，磁谐振耦合技术在能量转化效率、传输功率和电磁安全方面更具备实际应用价值。目前，该技术已逐渐被应用于智能穿戴、扫地机器人、AGV等设备中，赋予设备无线充电的功能，并提高设备的安全性和智能化程度，提升用户的使用体验。另外磁谐振耦合技术在智能家居领域的应用也将颠覆传统家电及移动通信设备、消费电子产品的使用模式，以住宅为平台，利用磁谐振无线充电技术、隐藏布线技术以及自动控制技术彻底移除家居生活区域内所有电源线，对设备进行无线充电或者持续电能供给，提升家居的安全性、便利性和舒适性，构建高效、环保、节能的居住环境。

目前已公开的用于电子设备的磁共振无线充电的发射天线多为普通单一螺旋绕线方式，因此存在以下弊端：第一，接收与发射平行的时候水平自由度较差即接收天线在发射天线的不同位置传输效率相差较大；第二，接收天线与发射天线呈一定角度的时候水平自由度很差；第三，普通单一螺旋绕线属于窄带匹配，接收天线在不同位置发射天线输入阻抗变化较大。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前市场上无线电能传输在收发天线平行时水平自由度较差，收发天线呈一定角度的时候在不同位置收发天线的传输效率相差较大，接收天线在不同位置或者不同距离时发射天线的输入阻抗变化较大的问题，提出了一种用于磁共振无线电能传输提高自由度和距离的发射天线。

本发明的技术方案是：一种用于磁共振无线电能传输提高自由度和距离的发射天线包括激励线圈和发射谐振线圈；

激励线圈为平面型多匝线圈；发射谐振线圈由两个平面型多匝线圈串联组成；激励线圈用于馈入电磁能量，并将电磁能量耦合到发射谐振线圈，发射谐振线圈将电磁能量通过磁共振耦合到接收线圈。

进一步地，激励线圈和发射谐振线圈的棱角处均为光滑圆弧结构。

进一步地，激励线圈包括第一微带线、激励线圈第一连接点、第二微带线和发射电磁能量输入口；

第一微带线通过激励线圈第一连接点和第二微带线连接；第一电磁能量输入口设置于第一微带线上。

进一步地，激励线圈的可调电容为1pF-10nF；

第一微带线的长L_Tx_Driver为100mm-300mm；

第一微带线的宽H_Tx_Driver为100mm-300mm；

第一微带线中微带线的宽度W_Tx_Driver为4mm-8mm；

第一微带线中相邻微带线的间隙S_Tx_Driver为3mm-7mm。

进一步地，发射谐振线圈由两个线圈串联形成，且两个线圈的中心向两个相反的方向偏离。

进一步地，发射谐振线圈包括第一谐振微带线、第二谐振微带线、谐振线圈第一连接点、谐振线圈第二连接点、谐振端口、第三谐振微带线、谐振线圈第三连接点、谐振线圈第四连接点和第四谐振微带线；

第一谐振微带线通过谐振线圈第一连接点和谐振线圈第二连接点与第二谐振微带线连接；第三谐振微带线通过谐振线圈第三连接点和谐振线圈第四连接点与第四谐振微带线；谐振端口设置于第一谐振微带线上。

进一步地，发射谐振线圈阵列的可调电容为1pF-10nF；

第一谐振微带线的长L_Tx_Res为100mm-300mm；

第一谐振微带线的宽H_Tx_Res为100mm-300mm；

第一谐振微带线的线宽W_Tx_Res为4mm-8mm；

第一谐振微带线中相邻微带线的间隙S_Tx_Res为3mm-7mm。

进一步地，第一微带线和第一谐振微带线均为带缺口的矩形线圈；其缺口处均连接谐振电容形成高频结构。

本发明的有益效果是：

(1)在不同充电距离和高距离倾角时，本发射天线传输效率保持稳定；且本发明为宽带匹配结构，当接收在发射天线场内不同位置时，发射天线的输入阻抗变化很小，保证了功放输出阻抗与发射天线输入阻抗之间的匹配。

(2)本发射天线改善了传统螺旋绕线水平自由度差的情况，使得发射天线输入阻抗变化范围很小，更好实现功放输出阻抗与发射天线输入阻抗之间的阻抗匹配，当收发天线之间充电距离、夹角改变时，传输效率保持稳定。

附图说明

图1为激励线圈俯视图；

图2为发射谐振线圈俯视图；

图3为接收线圈俯视图；

图4为激励线圈与谐振线圈整体侧视图；

图5为接收与发射平行时不同位置俯视图；

图6为接收与发射平行时不同位置侧视图；

图7为发射普通螺旋结构接收与发射平行时不同位置传输效率图；

图8为接收与发射呈角度时不同位置俯视图；

图9为接收与发射呈角度时不同位置侧视图；

图10为发射普通螺旋结构接收与发射呈角度时不同位置传输效率图；

图11为发射天线激励谐振结构接收与发射平行时不同位置传输效率图；

图12为发射天线激励谐振结构接收与发射呈角度时不同位置传输效率图；

图中，101、第一微带线；102、激励线圈第一连接点；103、第二微带线；104、发射电磁能量输入口；201、第一谐振微带线；202、第二谐振微带线；203、谐振线圈第一连接点；204、谐振线圈第二连接点；205、谐振端口；206、第三谐振微带线；207、谐振线圈第三连接点；208、谐振线圈第四连接点；209、第四谐振微带线；301、第一接收微带线；302、接收电磁能量输入口；303、第二接收微带线；304、接收连接点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

如图1所示，本发明提供了一种用于磁共振无线电能传输提高自由度和距离的发射天线，包括用于磁共振无线电能发射的发射天线和用于无线电能接收的接收天线；

发射天线为激励谐振结构，包括激励线圈和发射谐振线圈；激励线圈为平面型多匝线圈；发射谐振线圈由两个平面型多匝线圈串联组成；激励线圈用于馈入电磁能量，并将电磁能量耦合到发射谐振线圈，发射谐振线圈将电磁能量通过磁共振耦合到接收线圈。发射谐振线圈中两个多匝线圈之间可以交叉重叠也可以不交叉重叠，重叠时通过分布在不同空间位置，使其两两互不影响。

接收天线包括接收线圈；接收线圈为平面型多匝线圈，其用于接收发射谐振线圈发射的电磁能量。接收线圈包括印刷电路以及介质板。

在本发明实施例中，激励线圈、发射谐振线圈和接收线圈的棱角处均为光滑圆弧结构。

发射谐振线圈的尺寸和形状与激励线圈的尺寸和形状相同或不同。

在本发明实施例中，如图1所示，激励线圈包括第一微带线101、激励线圈第一连接点102、第二微带线103和发射电磁能量输入口104；

第一微带线101通过激励线圈第一连接点102和第二微带线103连接；第一电磁能量输入口104设置于第一微带线101上。

激励线圈包括第一微带线和起连接作用的第二微带线，第一微带线为带缺口的矩形线圈，其上设置有第一连接点和发射电磁能量输入口，通过激励线圈第一连接点使得第一微带线形成高频结构。电磁能量通过第一电磁能量输入口馈入，经过第一微带线、激励线圈第一连接点以及第二微带线然后发射到谐振线圈所在的近场空间。此电磁能量输入口通过匹配电路后直接连接功放源，进行射频信号输入进激励线圈，第一微带线则是通过微带线将激励线圈形成高频结构。

在本发明实施例中，激励线圈的可调电容为1pF-10nF；

如图1所示，第一微带线101的长L_Tx_Driver为100mm-300mm；

第一微带线101的宽H_Tx_Driver为100mm-300mm；

第一微带线101中微带线的宽度W_Tx_Driver为4mm-8mm；

第一微带线101中相邻微带线的间隙S_Tx_Driver为3mm-7mm。

在本发明实施例中，如图2所示，发射谐振线圈由两个线圈串联形成，两个小线圈的大小尺寸和匝数不尽相同，且两个线圈的中心向两个相反的方向偏离。

在本发明实施例中，如图2所示，发射谐振线圈包括第一谐振微带线201、第二谐振微带线202、谐振线圈第一连接点203、谐振线圈第二连接点204、谐振端口205、第三谐振微带线206、谐振线圈第三连接点207、谐振线圈第四连接点208和第四谐振微带线209；

第一谐振微带线201通过谐振线圈第一连接点203和谐振线圈第二连接点204与第二谐振微带线202连接；第三谐振微带线206通过谐振线圈第三连接点207和谐振线圈第四连接点208与第四谐振微带线209；谐振端口205设置于第一谐振微带线201上。

本发明中发射天线由激励线圈和发射谐振线圈组成，激励线圈与谐振线圈之间各自没有连接，发射谐振线圈通过感应耦合馈电的方式进行馈电，可以使得天线上没有剧烈的电流不连续点；激励线圈和谐振线圈的组合天线结构能够使发射天线具有较宽的输入阻抗带宽，即当接收天线的位置或者高度变化的时候，发射天线的输入阻抗变化范围小，有利于攻防输出阻抗和天线输入阻抗之间的阻抗匹配，并且天线各部分是分离的，可以分别进行优化，制作工艺也相对简单，非常易于实物制作，而且此发射天线结构采取了金属切割工艺加工，可以得到Q值更高的发射天线。最终使得收发天线尺寸差异较大，收发天线之间充电距离、夹角改变时，传输效率保持稳定，也能满足多个电子设备同时进行无线充电和供电要求。同时，激励线圈的长度L_Tx_Driver和宽度H_Tx_Driver并不局限于上述的具体取值，而是可以根据发射谐振线圈的大小和结构进行具体的调整。

在本发明实施例中，发射谐振线圈阵列的可调电容为1pF-10nF；

如图2所示，第一谐振微带线201的长L_Tx_Res为100mm-300mm；

第一谐振微带线201的宽H_Tx_Res为100mm-300mm；

第一谐振微带线201的线宽W_Tx_Res为4mm-8mm；

第一谐振微带线201中相邻微带线的间隙S_Tx_Res为3mm-7mm。

本发明通过对发射天线中各个几何参数和电气参数的优化设置，采用激励线圈加发射谐振线圈阵列的平面天线结构，并运用感应耦合馈电的方式对谐振线圈进行馈电，使得接收线圈能尽可能地保持强耦合的状态，收发天线之间充电距离、夹角改变时，收发线圈之间的传输效率都为维持在较高状态，保持稳定且高效的传输效率，且发射天线保持在较小的变化范围，易于实现功放和天线之间的阻抗匹配。

在本发明实施例中，如图3所示，接收线圈包括第一接收微带线301、接收电磁能量输入口302、第二接收微带线303和接收连接点304；

第一接收微带线301通过接收连接点304和第二接收微带线303连接；接收电磁能量输入口302设置于第一接收微带线301上。

在本发明实施例中，接收线圈的可调电容为1pF-10nF；

如图3所示，第一接收微带线301的长L_Rx_Load为80mm-140mm；

第一接收微带线301的宽H_Rx_Load为50mm-75mm；

第一接收微带线301的线宽W_Rx_Load为1mm-3mm；

第一接收微带线301中相邻微带线之间的间隙S_Rx_Load为0.5mm-1.5mm。

接收天线为多匝平面绕线结构，采用印刷电路板加工工艺，形状为矩形。本发明通过对接收天线中各个几何参数和电气参数的优化设置，在保证接收天线的小型化的同时，提高收发磁谐振线圈之间的耦合强度以及接收线圈本身的品质因子，以适用于电子消费产品、通讯设备和LED照明设备的无线充电能量信号的接收，并且在激励线圈和谐振阵列线圈组成的发射场内，形成一个立体分别的均匀磁场，使得无论接收天线在发射天线的发射场内放置在任何位置都能保持稳定且高效的传输效率以及变化范围不大的发射天线输入阻抗。

在本发明实施例中，第一微带线101、第一谐振微带线201和第一接收微带线301均为带缺口的矩形线圈；其缺口处均连接谐振电容形成高频结构。

在本发明实施例中，图4为激励线圈与谐振线圈整体侧视图；发射天线由激励线圈和发射谐振线圈组成，激励线圈尺寸和发射线圈尺寸相同，激励线圈和发射谐振线圈的位置重叠，但激励线圈和发射谐振线圈之间有一定间隔，激励线圈可以在谐振线圈上面也可以在谐振线圈下面。

在本发明实施例中，图5为接收与发射平行时不同位置俯视图，其中，A点表示接收线圈的中心点，B-M点表示A点移动到的位置。

在本发明实施例中，图6为接收与发射平行时不同位置俯视图，其中，A点表示接收线圈的中心点，B-M点表示A点移动到的位置。

在本发明实施例中，图7为发射普通螺旋结构接收与发射平行时不同位置传输效率图，其中，B-M表示A点在B-M点时的传输效率，可以看出发射天线为普通螺旋绕线时，随着接收天线在发射天线内的位置变化，传输效率的变化较大即整体的水平自由度较差。

在本发明实施例中，图8为接收与发射呈角度时不同位置俯视图，表示接收与发射平行时不同位置俯视图，其中，A点表示接收线圈的中心点，B-M点表示A点移动到的位置。

在本发明实施例中，图9为接收与发射呈角度时不同位置侧视图，其中，A点表示接收线圈的中心点，B-M点表示A点移动到的位置。

在本发明实施例中，图10为发射普通螺旋结构接收与发射呈角度时不同位置传输效率图，从图中可以看出从B点向M点移动的过程中，收发天线的传输效率先是稍微提高然后急剧下降，在M点已经不足百分之二十，整体水平自由度极差。

在本发明实施例中，图11为发射天线激励谐振结构接收与发射平行时不同位置传输效率图，接收天线随着位置的改变整体传输效率变化不大，与发射天线为普通螺旋结构相比，激励谐振结构发射天线整体水平自由度有了十分明显的改善.

在本发明实施例中，图12为发射天线激励谐振结构接收与发射呈角度时不同位置传输效率图，接收天线从B点向M点移动的过程中，收发天线之间的传输效率依然出现较大变化，传输效率先是稍微提高，然后随着离M点越来越近传输效率越来越低，但是下降较为平缓，与普通绕线结构相比效率有了极大提升，水平自由度也得到了很大的改善。

在本发明实施例中，激励线圈、接收线圈和发射谐振线圈的几何结构包括圆形、矩形和菱形；激励线圈可以在发射谐振线圈的上面也可以在谐振线圈的下面，谐振线圈通过串联电容谐振在工作频率附近，从激励线圈馈入电磁能量，电磁能量经过激励线圈发射到空中，谐振线圈接收激励线圈发射的能量然后再将它发射到空中，并且可以通过谐振线圈的结构来改变磁场的分布，在整个发射平面使得磁场分布均匀，从而改善收发天线之间的水平自由度；谐振线圈由两个小的线圈串联在一起组成，两个小线圈的中心向两个相反的方向偏移，使发射天线的磁场分布偏向边缘来改善收发天线的水平自由度。

发射天线中的激励线圈和谐振线圈采取金属切割工艺，得到品质因数更高的发射天线，材料则为1mm厚的紫铜板；接收天线采取PCB板工艺或金属切割工艺。

本实施例中，根据等效电路可知，收发天线采用激励线圈、接收线圈和谐振线圈阵列的设计，激励线圈和接收线圈的匹配电路可为差分电路，或从天线端来看，先并联一个谐振电容在串联一个谐振电容，激励线圈和接收线圈的两种匹配电路的电容值取值范围都为1pF-10nF；发射谐振线圈阵列的匹配电路为只串联一个谐振电容，其中电容值取值范围为1pF-10nF，通过谐振电容使得激励线圈与发射谐振线圈阵列之间的感应耦合，收发谐振线圈阵列之间的谐振耦合，以及接收谐振线圈阵列与接收线圈之间的感应耦合，能够形成一个立体均匀分布的磁场。此电路中的谐振线圈运用了感应耦合馈电的方式，这是一种非接触激励机制，天线各部分是分离的，可以分别进行优化，制作工艺也相对简单；这种馈电方式的天线上没有剧烈的电流不连续点，能够获得较宽的阻抗带宽，阻抗匹配也相对更加容易调节，运用这种结构能够使得当收发天线尺寸差异较大，收发天线之间充电距离、夹角改变时，传输效率保持稳定。

本发明的工作原理及过程为：为了给便携式计算机、通讯产品和消费电子产品在一定的三维空间范围内，当收发天线之间充电距离和夹角改变时，提供一个稳定无线电能供给方案，本发明基于磁谐振耦合无线能量传输方案，提供了一种用于磁共振无线电能传输的发射天线，本发明中发射天线采用激励线圈加谐振线圈的设计，通过激励线圈与发射谐振线圈之间的感应耦合，形成一个均匀分布的磁场。

在发射天线底部的激励线圈上添加激励，激励信号在第一微带线101上产生电磁振荡，然后电磁能量通过磁感应耦合馈电的方式传输到第一谐振线圈201，然后使发射谐振线圈阵列和接收线圈耦合，将电磁能量传入第一接收微带线301，电磁能量从接收天线的接收电磁能量输出口302输出，经过整流稳压后供给电子消费产品、通讯设备和LED照明设备。

本发明的有益效果为：

(1)在不同充电距离和高距离倾角时，本发射天线传输效率保持稳定；且本发明为宽带匹配结构，当接收在发射天线场内不同位置时，发射天线的输入阻抗变化很小，保证了功放输出阻抗与发射天线输入阻抗之间的匹配。

(2)本发射天线改善了传统螺旋绕线水平自由度差的情况，使得发射天线输入阻抗变化范围很小，更好实现功放输出阻抗与发射天线输入阻抗之间的阻抗匹配，当收发天线之间充电距离、夹角改变时，传输效率保持稳定。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。