一種高效率的雙頻平面無線能量傳輸系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高效率的雙頻平面無線能量傳輸系統(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、第一諧振器和第二諧振器，所述背面微帶結(jié)構(gòu)包括連接正面饋電線圈的外接端口。本發(fā)明通過利用一個(gè)饋電線圈對(duì)兩個(gè)不同頻率的諧振器饋電產(chǎn)生一個(gè)雙頻的高效率無線能量傳輸系統(tǒng)。
【專利說明】
一種高效率的雙頻平面無線能量傳輸系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種無線能量傳輸系統(tǒng)，具體涉及一種高效率的雙頻平面無線能量傳輸系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著對(duì)無接觸供電的需求不斷增加，無線能量傳輸技術(shù)不斷發(fā)展起來。最近幾年，人們開始對(duì)該技術(shù)進(jìn)行深入的研究。采用磁耦合共振方式的無線能量傳輸技術(shù)更是取得了許多的關(guān)注，該技術(shù)在電動(dòng)汽車和在微型植入式醫(yī)療儀器的供電等方面得到廣泛的應(yīng)用。近年來，越來越多的學(xué)者參與到多頻無線能量傳輸系統(tǒng)的研究。相比單頻無線能量傳輸系統(tǒng)，多頻無線能量傳輸系統(tǒng)可以提供更多的通道來傳輸能量或信息。然而，如何產(chǎn)生多頻傳輸通道和提高各通道的效率仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。
[0003]目前，已經(jīng)出現(xiàn)了一些產(chǎn)生雙頻無線能量傳輸系統(tǒng)的方法。在文獻(xiàn)《M.-L.Kun gand K.-H.Lin，“Investigat1n of dual-band coil module for near-field wirelesspower transfer systems in Proc.Wireless Power Transfer Conf.,Jeju,Korea,2015，pp.265-268.》中，研究了利用并聯(lián)的集總電容和電感來產(chǎn)生雙頻傳輸通道的方法，但是由于采用了集總元器件，所以該無線能量傳輸系統(tǒng)僅能在較小的傳輸距離下實(shí)現(xiàn)高效率的傳輸。文南犬《M.D1nigi and M.Mongiardo，“A novel resonator for simultaneouswireless power transfer and near field magnetic communicat1ns，，，in IEEE MTT-SInt.Microw.Symp.Dig.,Montreal,QC,Canada，2012，pp.1-3.》中，米用由圓形諧振線圈及與之共面的饋電線圈組成的雙頻線圈模型，提高了無線能量傳輸系統(tǒng)的功率傳輸效率。但該方法對(duì)效率的提升僅限于距離比較近的情況，在傳輸距離遠(yuǎn)的時(shí)候，效率并未改善。文獻(xiàn)《T.C.Beh，M.Kate，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.》中，通過在發(fā)射端和接收端引入匹配網(wǎng)絡(luò)來提高雙頻無線能量傳輸系統(tǒng)的傳輸效率。雖然效率可以獲得提升，但是由于需要接入額外的電路，系統(tǒng)變得復(fù)雜。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單、傳輸距離遠(yuǎn)且效率高的雙頻無線能量傳輸系統(tǒng)對(duì)于進(jìn)一步推動(dòng)無線能量傳輸技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明提供一種高效率的雙頻平面無線能量傳輸系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明在無線能量傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端采用相同的雙頻微帶結(jié)構(gòu)，利用一個(gè)饋電線圈對(duì)兩個(gè)不同頻率的諧振器饋電產(chǎn)生一個(gè)雙頻的高效率無線能量傳輸系統(tǒng)；同時(shí)因?yàn)閮蓚€(gè)不同頻率的諧振器分別設(shè)計(jì)在饋電線圈的里面和外面，減小了電路的體積。
[0006]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]—種高效率的雙頻平面無線能量傳輸系統(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、第一諧振器和第二諧振器。所述背面微帶結(jié)構(gòu)包括連接正面饋電線圈的外接端口。
[0008]所述正面饋電線圈由第十六微帶線16、第十七微帶線17、第十三微帶線13、第十四微帶線14及第十五微帶線15依次連接構(gòu)成，其中第十五微帶線15的末端及第十六微帶線16的末端分別通過金屬化過孔與背面的外接端口連接。
[0009]所述第一諧振器由第一電容30和依次連接的第十八微帶線18、第十九微帶線19、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及第二十九微帶線29構(gòu)成，所述第一電容30連接在第二十二微帶線22及第二十八微帶線28之間。
[0010]所述第二諧振器由第二電容31和依次連接的第一微帶線1、第二微帶線2、第三微帶線3、第四微帶線4、第五微帶線5、第六微帶線6、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及第十二微帶線12構(gòu)成，所述第二電容31連接在第一微帶線I及第七微帶線7之間。
[0011 ]當(dāng)作為發(fā)射端時(shí)，所述外接端口作為輸入端口 I/P，連接信號(hào)源的兩端;作為接收端時(shí)，所述外接端口作為輸出端口 0/P，連接負(fù)載的兩端。
[0012]所述第二微帶線2及第六微帶線6與第十三微帶線13相互平行，所述第三微帶線3與第十四微帶線14相互平行，所述第四微帶線4與第十五微帶線15相互平行，所述第五微帶線5與第十七微帶線17相互平行。
[0013]所述正面饋電線圈、第一諧振器和第二諧振器均為正方形，所述第二諧振器位于正面饋電線圈所圍成的區(qū)域內(nèi)部，所述正面饋電線圈位于第一諧振器所圍成的區(qū)域內(nèi)部。
[0014]本發(fā)明的有益效果:
[0015](I)本發(fā)明利用一個(gè)饋電線圈對(duì)兩個(gè)不同頻率的諧振器饋電產(chǎn)生一個(gè)雙頻的高效率無線能量傳輸系統(tǒng)；
[0016](2)本發(fā)明將兩個(gè)不同頻率的諧振器分別設(shè)計(jì)在饋電線圈的里面和外面，減小了電路的體積，節(jié)約了成本。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的正面結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖2是本發(fā)明的背面結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖3是本發(fā)明的尺寸標(biāo)注圖。
[0020]圖4是本發(fā)明實(shí)施例在傳輸距離為83mm時(shí)不同頻率下的仿真結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0022]實(shí)施例
[0023]圖1-圖2所示，一種高效率的雙頻平面無線能量傳輸系統(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、第一諧振器和第二諧振器。所述背面微帶結(jié)構(gòu)包括連接正面饋電線圈的外接端口。通過在系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端采用相同的雙頻微帶結(jié)構(gòu)，利用一個(gè)饋電線圈對(duì)兩個(gè)不同頻率的諧振器饋電，提高了無線能量傳輸系統(tǒng)的傳輸效率。
[0024]所述正面饋電線圈由第十六微帶線16、第十七微帶線17、第十三微帶線13、第十四微帶線14及第十五微帶線15依次連接構(gòu)成，其中第十五微帶線15的末端及第十六微帶線16的末端分別通過金屬化過孔與背面的外接端口連接。當(dāng)所述電路作為無線能量傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端時(shí)，該外接端口作為輸入端口 I/P，連接信號(hào)源的兩端，用于將交流源的能量傳輸?shù)街C振器上；當(dāng)所述電路作為無線能量傳輸系統(tǒng)的接收端時(shí)，該外接端口作為輸出端口0/P，連接負(fù)載的兩端，用于將諧振器上的能量傳輸?shù)截?fù)載上。
[0025]所述第一諧振器由第十八微帶線18、第十九微帶線19、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及第一電容30依次垂直連接構(gòu)成，所述第一電容30連接在第二十二微帶線22及第二十八微帶線28之間。
[0026]所述第二諧振器由第一微帶線1、第二微帶線2、第三微帶線3、第四微帶線4、第五微帶線5、第六微帶線6、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及第二電容31依次垂直連接構(gòu)成，所述第二電容31連接在第一微帶線I及第七微帶線7之間。
[0027]所述第二微帶線2及第六微帶線6與第十三微帶線13相互平行，所述第三微帶線3與第十四微帶線14相互平行，所述第四微帶線4與第十五微帶線15相互平行，所述第五微帶線5與第十七微帶線17相互平行。
[0028]本實(shí)施例中一種高效率的雙頻平面無線能量傳輸系統(tǒng)，其發(fā)射/接收端的電路尺寸標(biāo)注圖如圖3所示，以下僅僅為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例。本實(shí)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(shí)施例中正面饋電線圈、第一諧振器及第二諧振器均為正方形，其中正面饋電線圈的邊長L3=IlS.4mm，線寬W2 = 2.8mm ；第一諧振器的內(nèi)圈邊長L2 = 132.4mm，外圈邊長Li = 150mm，線寬Wi = 4mm ；第一電容Ci = 1.6nF ；第二諧振器的內(nèi)圈邊長L5 = 80mm，外圈邊長L4= 100mm，線寬W3 = 4mm;第二電容C2 = 0.78nF。電路整體尺寸為150_ X 150mm。
[0029]圖4所示是傳輸距離為83mm時(shí)本發(fā)明實(shí)施例在不同頻率下的仿真結(jié)果，圖中縱坐標(biāo)數(shù)字表示傳輸效率，單位為％。由圖可知，本發(fā)明提出的雙頻無線能量傳輸系統(tǒng)工作在6.78MHz和13.56MHz時(shí)，傳輸效率分別能達(dá)到90%和66%。
[0030]綜上所述，本發(fā)明提出了一種高效率的雙頻平面無線能量傳輸系統(tǒng)，該電路通過在無線能量傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端均采用不同頻率的諧振器，使系統(tǒng)可在較遠(yuǎn)的距離上高效地傳輸能量。不僅如此，通過將兩個(gè)不同頻率的諧振器分別設(shè)計(jì)在饋電線圈的里面和外面，減小了電路的體積，節(jié)約了成本。
[0031]上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)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，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高效率的雙頻平面無線能量傳輸系統(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、第一諧振器和第二諧振器，所述背面微帶結(jié)構(gòu)包括連接正面饋電線圈的外接端口。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙頻平面無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述正面饋電線圈由第十六微帶線(16)、第十七微帶線(17)、第十三微帶線(13)、第十四微帶線(14)及第十五微帶線(15)依次連接構(gòu)成，其中第十五微帶線(15)的末端及第十六微帶線(16)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所述的雙頻平面無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述第一諧振器由第一電容(30)和依次連接的第十八微帶線(18)、第十九微帶線(19)、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)及第二十九微帶線(29)構(gòu)成，所述第一電容(30)連接在第二十二微帶線(22)及第二十八微帶線(28)之間。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙頻平面無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述第二諧振器由第二電容(31)和依次連接的第一微帶線(1)、第二微帶線(2)、第三微帶線(3)、第四微帶線(4)、第五微帶線(5)、第六微帶線(6)、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)及第十二微帶線(12)構(gòu)成，所述第二電容(31)連接在第一微帶線(I)及第七微帶線(7)之間。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙頻平面無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，其作為發(fā)射端時(shí)，所述外接端口作為輸入端口 I/P，連接信號(hào)源的兩端;其作為接收端時(shí)，所述外接端口作為輸出端口 0/P，連接負(fù)載的兩端。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙頻平面無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，第二微帶線(2)及第六微帶線(6)與第十三微帶線(13)相互平行，所述第三微帶線(3)與第十四微帶線(14)相互平行，所述第四微帶線(4)與第十五微帶線(15)相互平行，所述第五微帶線(5)與第十七微帶線(17)相互平行。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙頻平面無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述正面饋電線圈、第一諧振器和第二諧振器均為正方形，所述第二諧振器位于正面饋電線圈所圍成的區(qū)域內(nèi)部，所述正面饋電線圈位于第一諧振器所圍成的區(qū)域內(nèi)部。
【文檔編號(hào)】H02J50/12GK105914902SQ201610463153
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年6月21日
【發(fā)明人】章秀銀, 許冰媛, 林杰凱, 李斌
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)