一種可控的寬頻磁波波束形成裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于雙螺旋線圈單元片的可控寬頻磁波波束形成裝置與方法。所述裝置由若干個雙螺旋線圈單元片疊加而成。所述雙螺旋線圈單元片是一種正反面各布置有螺旋線圈的雙層電路板，板面中心設(shè)有內(nèi)孔，兩個面的螺旋線在內(nèi)端連通，且環(huán)流方向一致。所述雙螺旋線圈單元片的線圈形狀、匝數(shù)、匝距和線寬等參數(shù)精確可調(diào)，制作工藝一致性好且易于小型化與集成。所述可控磁波波束形成裝置由若干個大小不同的螺旋線圈單元組合，可以通過數(shù)控電路設(shè)置單元間的串、并連方式，調(diào)節(jié)裝置電阻、電感等電學(xué)參數(shù)，進而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率和帶寬；可以通過設(shè)置組合中各螺旋線圈單元的內(nèi)孔調(diào)節(jié)磁波主瓣；可以通過設(shè)置單元組合整體的包絡(luò)外形調(diào)節(jié)磁波旁瓣；可以通過設(shè)置組合裝置整體的單元片數(shù)量，大小，實現(xiàn)對裝置功率、磁波發(fā)射距離的調(diào)節(jié)。
【專利說明】一種可控的寬頻磁波波束形成裝置與方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬涉及無線探測與無線輸能【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種可控的寬頻磁波波束形成裝置與方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在基于磁的無線探測或無線能量【技術(shù)領(lǐng)域】當(dāng)中，電信號與磁信號、或電能與磁能的轉(zhuǎn)化是其中的重要環(huán)節(jié)。電磁感應(yīng)線圈是完成這部分功能的主要裝置。傳統(tǒng)的感應(yīng)線圈大多為導(dǎo)線由人工或機械繞制而成，形成平面螺旋線圈或者立體螺旋線管。這種繞制線圈的制作工藝一致性與可控性都不高，線圈的匝數(shù)、匝距、線寬的精確控制比較難實現(xiàn)。且繞制的線圈有時還存在應(yīng)力回彈，造成實際性能與設(shè)計性能的偏差。
[0003]在電磁感應(yīng)系統(tǒng)中，電路和諧振匹配非常重要。比如對于磁耦合諧振式無線輸能系統(tǒng)，其原理是利用兩個具有相同諧振頻率的諧振線圈之間的近場磁耦合來傳遞能量，能量的收發(fā)電路需調(diào)節(jié)達到共同的諧振頻率，實現(xiàn)近距離的高效能量傳輸，在非諧振的條件下，能量傳輸效率急劇下降。而根據(jù)濾波器理論，線圈的本征諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)等物理參數(shù)決定著系統(tǒng)的各種電路參數(shù)。而傳統(tǒng)線圈一旦繞制完成，其物理結(jié)構(gòu)便固定，其電學(xué)參數(shù)也很難再進行調(diào)整，這使得電路調(diào)諧變得非常困難，系統(tǒng)的靈活性受限。
[0004]另外，現(xiàn)有的感應(yīng)線圈一般不具有定向發(fā)射磁場的功能，其磁場分布較為分散，在某些場景中，例如需要在距離較近的兩個充電目標(biāo)中選擇其中一個進行輸能時，或者對空間某指定區(qū)域進行磁探測時，傳統(tǒng)線圈的發(fā)散磁場很難實現(xiàn)。
[0005]總結(jié)現(xiàn)有電磁感應(yīng)線圈，有以下不足:
(1)線圈制作工藝難以控制，制作的精準(zhǔn)度不高。難以制作構(gòu)造復(fù)雜，體積小的線圈。
[0006](2)線圈制作完成后，其電學(xué)參數(shù)無法靈活調(diào)整，不利于整個系統(tǒng)的調(diào)諧與匹配。
[0007](3)現(xiàn)有的感應(yīng)線圈產(chǎn)生磁場較為分散，且感應(yīng)磁場分布無法靈活調(diào)整。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有感應(yīng)線圈等磁波收發(fā)裝置的制作精度不高、結(jié)構(gòu)固定、電學(xué)參數(shù)難以調(diào)整、磁場分布分散等不足，提出一種可控的寬頻磁波波束形成裝置與方法。
[0009]所述可控的寬頻磁波波束形成裝置，由若干個雙螺旋線圈單元片疊加而成。
[0010]所述裝置中的雙螺旋線圈單元片，是一種正反面各布置有螺旋線圈的雙層電路板，板面中心設(shè)有通孔供磁場通過，通孔形狀及大小根據(jù)實際需求設(shè)定。
[0011 ] 上述的雙螺旋線圈單元片中，螺旋線的形狀、匝數(shù)、匝距、線寬等參數(shù)可以由電路設(shè)計軟件精確設(shè)置。其中螺旋線的形狀不限于基于圓形的多重曲線，還可以基于是三角形，方形，多邊形甚至是其它任意形狀的多重曲線；螺旋線的線寬可以為非恒寬，根據(jù)需求可以設(shè)置不同位置的不同線寬調(diào)整螺旋線圈單元片上的阻抗分布；所述雙層電路板的外形或中心內(nèi)孔也可以根據(jù)需求調(diào)整為其它任意形狀。
[0012]上述的雙螺旋線圈單元片中，兩個面的螺旋線在靠中心內(nèi)端相連通，外端分別作為該片單元的正負(fù)極，供多個單元互聯(lián)。
[0013]上述的雙螺旋線圈單元片中，正負(fù)極接入電路后，從單元的一個面看上去，應(yīng)保證兩面螺旋線中電流的環(huán)流方向相同(同為順時針或逆時針)，從而使正反兩個面的螺旋線圈生成的磁場方向相同，實現(xiàn)磁場疊加增強。
[0014]上述的雙螺旋線圈單元片中，螺旋線圈單元片還可以選用多層電路板布置多層線圈，滿足對高集成度要求的場景；還可以選用柔性電路板材料進行加工，滿足對線圈形變有一定可塑性要求的應(yīng)用場景。多個上述的雙螺旋線圈單元片間可以串聯(lián)，并聯(lián)以及混聯(lián)的方式組合，從而可以靈活調(diào)節(jié)組合整體的電阻、電感和電容等電學(xué)參數(shù)。單元的組合方式還可以通過接入數(shù)控電路或芯片進行切換，從而通過數(shù)控電路對組合模塊整體的電學(xué)參數(shù)進行調(diào)整。單元間連接后仍應(yīng)保證每個單元電流方向一致，形成的磁場同向。
[0015]所述可控的寬頻磁波波束形成裝置中，多個雙螺旋線圈單元片間可依據(jù)特定的外形大小順序組合，使其組合后的包絡(luò)為某種流型形狀，比如錐體。每個單元內(nèi)孔形狀和大小可以根據(jù)需求選擇相同或者不同，單元片之間的連接方式根據(jù)系統(tǒng)需求，選擇串聯(lián)、并聯(lián)或者混聯(lián)。
[0016]所述基于雙螺旋線圈單元片的可控寬頻磁波波束形成裝置，如按從大到小順序組合成錐體，可在其錐形結(jié)構(gòu)的錐側(cè)面部分形成較弱磁場，而在錐頂部分磁場強度最強，即磁場“聚焦”在了錐頂部分較小的區(qū)域。這是因為對于兩個外徑不同的螺旋線圈，在中心附近位置形成磁場疊加增強，而在兩個單元片最外側(cè)的線圈附近，小半徑線圈與大半徑線圈形成的磁場相消。
[0017]所述基于雙螺旋線圈單元片的可控寬頻磁波波束形成裝置，其組合整體的錐側(cè)面可以圍上磁屏蔽材料層，進一步削弱磁場旁瓣并加強發(fā)射主瓣的匯聚。還可以在裝置磁波發(fā)射方向后端放置永磁體來施加磁場偏置。為更好地適應(yīng)不同的用途及工作環(huán)境，在線圈中心，還可放入不同的磁性材料。
[0018]所述基于雙螺旋線圈單元片的可控寬頻磁波波束形成裝置，不限于當(dāng)做磁波的發(fā)射端，也可以作為接收端使用，將磁轉(zhuǎn)化為電。
[0019]所述基于雙螺旋線圈單元片的可控寬頻磁波波束形成裝置，還可以將多個雙螺旋單元片或其組合在空間分布放置，使輻射方向匯聚，以進一步加強波束的聚焦。
[0020]上述基于雙螺旋線圈單元片的可控寬頻磁波波束形成裝置:
(1)可以精確設(shè)計雙螺旋線圈單元片上的螺旋線匝數(shù)、匝距、線寬等參數(shù)，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)阻抗、電流、磁場強度等的控制。
[0021](2)可以設(shè)置雙螺旋線圈單元片之間的串聯(lián)、并聯(lián)方式，調(diào)節(jié)組合整體的電阻、電感等參數(shù)，從而實現(xiàn)諧振頻率以及頻率帶寬彿勺控制。
[0022](3)可以通過設(shè)置雙螺旋線圈單元片內(nèi)部通孔的形狀和大小，使不同集束的磁場通過，實現(xiàn)磁波主瓣形狀和大小的控制。
[0023](4)可以通過設(shè)計組合裝置整體的外部包絡(luò)形狀(例如圖3 (a) (b)所示的線性椎體或非線性椎體)，實現(xiàn)磁波旁瓣分布的控制。
[0024](5)可以通過設(shè)置組合裝置整體的厚度、單元片數(shù)量，大小，實現(xiàn)對裝置功率的調(diào)節(jié)，從而控制磁波發(fā)射的距離。
[0025](6)多個所述裝置可以在空間按特定位置排列，使多個裝置的主瓣匯聚，進一步加強磁場的聚焦。
[0026]由此就可以實現(xiàn)本發(fā)明裝置可控的寬頻磁波波束形成功能。
[0027]與現(xiàn)有繞制線圈相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
(1)可以精確設(shè)計雙螺旋線圈單元片上的螺旋線形狀、匝數(shù)、匝距、線寬等參數(shù)，且同一螺旋線圈上的線寬可以不同，從而實現(xiàn)對裝置的阻抗分布、電流、磁場強度等的控制。
[0028](2)這種螺旋線圈設(shè)置在電路板上的單元，其螺旋的匝數(shù)、匝距包括線寬都可以精確控制，并且方1便大規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)品的工藝一致性、線圈的品質(zhì)因數(shù)等也能得到很好的保障，性能更為穩(wěn)定，避免了繞制線圈的工藝難以控制、一致性差的不足。
[0029](3)線圈單元的組合方式靈活可調(diào)?？梢曰诖?lián)、并聯(lián)、混聯(lián)的方式，靈活調(diào)整組合模塊的電阻、電感等電學(xué)參數(shù)，這極大方便了系統(tǒng)的電路匹配。而傳統(tǒng)線圈在繞制好之后，相關(guān)電學(xué)參數(shù)便固定，很難再進行可量化的調(diào)整。
[0030](4)本發(fā)明可以實現(xiàn)發(fā)射磁波的主瓣、旁瓣等參數(shù)的控制，工程應(yīng)用具有更高的靈活性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1是本發(fā)明所述可控寬頻磁波波束形成裝置剖面圖。
[0032]圖2a是本發(fā)明所述雙螺旋線單元片示例圖。
[0033]圖2b是本發(fā)明所述雙螺旋線單元片的一種印刷電路板實例圖。
[0034]圖3是本發(fā)明所述輸能裝置可以實現(xiàn)磁波束形成的原理解釋圖。
[0035]圖4a是本發(fā)明所述可控寬頻磁波波束形成裝置的凹錐體形狀示意圖。
[0036]圖4b是本發(fā)明所述可控寬頻磁波波束形成裝置的凸錐形狀示意圖。
[0037]圖5是本發(fā)明所述可控寬頻磁波波束形成裝置的空間組合是示意圖。

【具體實施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖以及無線輸能應(yīng)用場景為例對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步說明。
[0039]圖1是基于雙螺旋線圈單元片的可控寬頻磁波波束形成裝置剖面結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置由若干個上述雙螺旋線圈單元片101組合而成。單元間的連接方式可以根據(jù)系統(tǒng)對線圈的電阻、電感、電容等電學(xué)參數(shù)的需求，以串聯(lián)、并聯(lián)或者混聯(lián)的方式組合。所述單元的組合方式可以由數(shù)控電路進行控制，即便每個單元的物理結(jié)構(gòu)固定，可以通過后臺的數(shù)控電路通過軟件的形式來靈活調(diào)整其組合方式，從而實現(xiàn)其電學(xué)參數(shù)的變化。
[0040]如考慮進一步削弱錐側(cè)面的磁場，可以考慮在錐側(cè)面圍上磁屏蔽材料層102，在錐頂處留開口。在線圈中心，還可放入不同的磁性材料103，更好地適應(yīng)不同的用途及工作環(huán)境。如作為磁發(fā)射裝置，還可以在裝置磁波發(fā)射方向后端放置永磁體104，實現(xiàn)磁波的后向屏蔽。
[0041]圖2a為所述實施例中雙螺旋線圈單元片實例的平面示意圖。如圖所示，該單元為雙層電路板，中心設(shè)有通孔201，上下兩層分別布置螺旋線202和203，圖中分別用實線與虛線表示。螺旋線分布不限于圖中所示樣式，可以根據(jù)系統(tǒng)需求進行設(shè)計。螺旋線寬也不限于圖中所示的恒寬線圈，比如可以在設(shè)置內(nèi)部螺旋線設(shè)置較細(xì)，而外部螺旋線較寬來調(diào)整螺旋線圈片單元上的阻抗分布。兩個螺旋線內(nèi)端在204處相連通，引出的外部接頭205分別作為該片單元的正極和負(fù)極，供多個單元之間組合相連接使用。圖2b是本實施例所述雙螺旋線單元片的一個印刷電路板實例圖。
[0042]若干個雙螺旋線圈單元片組合成錐形結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)磁能的聚焦定向發(fā)射。圖3解釋了這種排列方式如何實現(xiàn)磁場的聚焦定向的原理。如圖，為簡便，我們僅考慮兩個半徑不同的雙螺旋線圈單元片最外端螺旋線。根據(jù)安培定律，圖中兩個螺旋線形成的磁場方向在用“X” “ ”標(biāo)注出來(“X”表示磁場方向垂直紙面向內(nèi)，“ ”表示磁場方向垂直紙面向外)?？梢钥吹?，在靠近中心區(qū)域，兩個線圈形成的磁場同向。而兩個線圈之間的部分磁場異向，因此該區(qū)域的磁場被削弱。因此，結(jié)合圖1的組合模塊來看，當(dāng)多個半徑遞減的圓片單元組成類似錐形型結(jié)構(gòu)時，錐側(cè)面部分由于相鄰圓片的線圈形成磁場相抵消，其合成磁場是較弱的，而在錐頂區(qū)域為磁場最強處，從而可以實現(xiàn)磁場的定點發(fā)射。
[0043]由上面分析不難看出，裝置合成錐體的外形包絡(luò)影響磁波發(fā)射的旁瓣分布。圖1所示的組合整體為線性錐體，實際中也可以設(shè)計為其它非線性錐體，例如圖4a凹錐體和圖4 b所示的凸錐體，來調(diào)節(jié)該裝置磁場旁瓣的抑制和分布情況。
[0044]所述基于雙螺旋線圈單元片的可控寬頻磁波波束形成裝置，還可以將多個雙螺旋單元片或其組合在空間分布放置，并使多個裝置的輻射方向匯聚，以進一步加強波束的聚焦，圖5為所述放置方式的示意圖。
【權(quán)利要求】
1.一種可控的寬頻磁波波束形成裝置，其特征在于由若干個雙螺旋線圈單元片疊加而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置中的雙螺旋線圈單元片，其特征在于正反面各布置有螺旋線圈的雙層電路板，板面中心設(shè)有內(nèi)孔。所述雙螺旋線圈單元片的螺旋線，其形狀、匝數(shù)、匝距、線寬等參數(shù)可以由電路設(shè)計軟件精確設(shè)置。其中螺旋線的形狀不限于基于圓形的多重曲線，還可以基于是三角形，方形，多邊形甚至是其它任意形狀的多重曲線；螺旋線的線寬不限于同一寬度，可以在不同位置設(shè)置不同線寬以調(diào)整螺旋線圈單元片上的阻抗分布。所述雙層電路板的外形或中心內(nèi)孔也可以根據(jù)需求調(diào)整為其它任意形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙螺旋線圈單元片中，其特征在于兩個面的螺旋線在靠中心內(nèi)端相連通，外端分別作為該片單元的正負(fù)極，供多個單元互聯(lián)。正負(fù)極接入電路后，從單元的一個面看上去，應(yīng)保證單元兩面螺旋線中電流的環(huán)流方向相同(同為順時針或逆時針)，從而使正反兩個面的螺旋線圈生成的磁場方向相同，實現(xiàn)磁場疊加增強。螺旋線圈單元片還可以選用多層電路板布置多層線圈，滿足對高集成度要求的場景；還可以選用柔性電路板材料進行加工，滿足對線圈形變有一定可塑性要求的應(yīng)用場景。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙螺旋線圈單元片間可以串聯(lián)，并聯(lián)以及混聯(lián)的方式組合，從而可以靈活調(diào)節(jié)組合整體的電阻、電感和電容等電學(xué)參數(shù)，并且組合方式通過接入數(shù)控電路控制切換。雙螺旋線圈單元片間連接后仍應(yīng)保證每個單元的電流方向一致，形成同向的磁場。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述可控的寬頻磁波波束形成裝置，其特征在于不同大小的多個雙螺旋線圈單元片間進行組合，使其組合后的外形包絡(luò)為某種流型形狀，如錐體。組合整體的外形包絡(luò)控制磁波波束形成的旁瓣分布。每個單元內(nèi)孔形狀和大小可以根據(jù)需求設(shè)置，以控制磁波波束形成的主瓣特性。其組合整體的錐側(cè)面可以圍上磁屏蔽材料層，進一步削弱磁場旁瓣并加強發(fā)射主瓣能量的匯聚。還可以在裝置磁波發(fā)射方向后端放置永磁體來施加恒定磁場偏置。所述寬頻磁波波束形成裝置，不限于當(dāng)做磁波的發(fā)射端，也可以作為接收端使用，將磁轉(zhuǎn)化為電。為更好地適應(yīng)不同的用途及工作環(huán)境，在線圈中心，還可放入不同的磁性材料?？梢詫⒍鄠€雙螺旋線圈單元片按照一定空間位置組合，使磁波主瓣變強。還可以將所述磁波波束形成裝置按照一定空間位置組合，使多個裝置的磁波主瓣匯聚。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控寬頻磁波波束形成裝置，其特征在于: (1)可以精確設(shè)計雙螺旋線圈單元片上的螺旋線形狀、匝數(shù)、匝距、線寬等參數(shù)，且同一螺旋線圈上的線寬可以不同，從而實現(xiàn)對裝置的阻抗分布、電流、磁場強度等的控制； (2)可以設(shè)置雙螺旋線圈單元片之間的串聯(lián)、并聯(lián)方式，調(diào)節(jié)組合整體的電阻、電感等參數(shù)，從而實現(xiàn)諧振頻率尤以及頻率帶覽度1勺控制； (3)可以通過設(shè)置雙螺旋線圈單元片內(nèi)孔的形狀和大小，使不同集束的磁場通過，實現(xiàn)磁波主瓣形狀和大小的控制； (4)可以通過設(shè)計組合裝置整體的外部包絡(luò)形狀，實現(xiàn)磁波旁瓣分布的控制； (5)可以通過設(shè)置組合裝置整體的厚度、單元片數(shù)量，大小，實現(xiàn)對裝置功率的調(diào)節(jié)，從而控制磁波發(fā)射的距離； (6)多個所述裝置可以在空間按特定位置排列，使多個裝置的主瓣匯聚，進一步加強磁場的聚焦。
【文檔編號】H01Q19/00GK104485507SQ201410742577
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】韋崗, 李 杰, 曹燕 申請人:廣州豐譜信息技術(shù)有限公司