CN105515213B - 一种基于特异材料的多目标非辐射无线电能传输系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于特异材料的多目标非辐射无线电能传输系统，由非谐振激励线圈、特异材料(由介质板以及加载集总电容的金属谐振环构成)、非谐振接收线圈组成。非谐振激励线圈、特异材料以及非谐振接收线圈之间利用磁场近场相互耦合来进行无线电能传输。加载集总电容的金属谐振环间耦合可形成特殊通带，通带内不同频率电磁模式呈现出丰富的场强空间分布状态。该发明通过探测负载所在位置以此来决定特异材料中哪些谐振环工作，因此不会造成能量浪费；该发明利用二维金属谐振环阵列这一简化的平面型特异材料，可实现圆斑、雪花、同心圆等多点磁场分布形态，有利于多目标无线供电等应用；该发明中的特异材料具有深亚波长特性，有利于器件的小型化和集成化。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线电能传输系统，尤其是涉及一种基于特异材料的多目标非辐射无线电能传输系统。
背景技术
近年来，随着科学技术的发展，各种各样的电气设备遍布世界的每一个角落，极大地方便了人们的生产和生活。然而，电能传输主要利用金属导线，这种“有线”传输在电气设备日益增多的今天，弊端越来越明显。导线的摩擦、老化和裸露等，容易产生接触火花，降低用电设备的安全性与可靠性；复杂庞大的导线排布占用大量空间资源，并且影响了移动设备的灵活性；近年来，作为科技发展新方向的无线传感器、无线终端设备、人体植入医疗设备等方面的应用，更是由于受到传统电能供给方式的限制而陷入了发展瓶颈。由于上述“有线”电能传输的固有缺陷，人们对移动及植入式电子设备的供电提出了更高的要求，开始逐渐将目光投向到无线电能传输技术。
无线电能传输技术根据传输机理的不同，可分为辐射型与非辐射型两种。与利用了远场辐射特性的辐射型无线电能传输技术不同，非辐射型无线电能传输技术是依靠电磁场近场的感应、耦合或遂穿效应而实现的一种无线电能传输方式。其中，磁耦合谐振式无线电能传输技术更是突破了早期基于电磁感应技术传输距离极短的限制，从而具有更强的实际应用价值。然而该技术仍存在一些技术瓶颈。例如，传统实现多目标无线供电一般利用相控阵阵列天线技术，该技术虽然可以在目标区域内实现多点磁场分布，但是复杂的馈电网络，增加了设计难度，同时也降低了实用性。因此，如何利用平板阵列天线实现不需要复杂馈电网络的多点磁场分布，就成为一个亟待解决的难题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种利用特异材料实现不需要复杂馈电网络的多点磁场分布的非辐射无线电能传输系统。
本发明的技术方案
一种基于特异材料的多目标非辐射无线电能传输系统，该系统由非谐振激励线圈、特异材料和非谐振接收线圈组成，特异材料(2)设置于非谐振激励线圈(1)和非谐振接收线圈(3)之间；
所述的非谐振激励线圈连接电压源或者其他激励源，
所述的非谐振接收线圈连接负载或者其他储能设备，
所述的特异材料由介质板以及介质板上设置的加载集总电容的金属谐振环阵列组成；
非谐振激励线圈、特异材料以及非谐振接收线圈之间利用磁场近场相互耦合来进行无线电能传输，非谐振接收线圈在特异材料不同位置处接收效率不同。
所述的非谐振激励线圈和特异材料组合结构是具有多点磁场近场分布的驱动天线，其中，特异材料中金属谐振环的个数不少于19个。
所述的介质板为FR_4环氧树脂制成的介质板，介电常数为2.6；(介质板厚度只影响特异材料的工作频率和器件的尺寸，不影响特异材料的性质，可任意厚度)作为一个具体的实施方案，本发明介质板厚度为1mm。
同样，作为一个具体的实施方案，特异材料的结构大小为240mm×240mm(结构大小与特异材料中金属谐振环的大小和个数有关，金属谐振环越大或者个数越多结构就越大)；金属谐振环外径为13mm，内径为11.5mm，厚度为0.0175mm，开口狭缝为1.5mm，环与环之间的距离为13.5mm；集总电容为表面封装贴片电容元件，电容数值大小为15pf(电容数值大小只影响特异材料的工作频率，不影响其性质，可任意大小)；非谐振激励线圈及接收线圈均由绕线直径为30mm，横截半径为1mm圆形金属铜线环构成。非谐振激励线圈和接收线圈可任意匝数，本发明采用单匝线圈。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)可以通过二维金属谐振环阵列这一简化的平面型特异材料，实现圆斑、雪花、同心圆等多点磁场分布形态，有利于大面积、多目标无线供电等实际应用。
(2)该系统不会造成能量浪费，即接收线圈位置确定时，通过调控频率变换特异材料磁场模式，实现能量的定点、多点传输。
(3)特异材料的深亚波长特性有利于非辐射无线电能传输系统的小型化、集成化。
(4)本发明工艺简单，成本低廉。
附图说明
图1为本发明无线电能传输系统的结构示意图；
图2为特异材料的结构示意图；
图3为特异材料的实物照片：(a)结构正面，(b)局部放大图，(c)结构背面非谐振激励线圈；
图4为仿真计算(a)和实验测试(b)得到的特异材料的反射系数；
图5为通过计算得到的特异材料的二维色散曲线；
图6为距离特异材料正上方0.5cm处，在不同工作频率下，仿真计算(a)和实验测试(b)得到的磁场强度分布图；
图中，1为非谐振激励线圈，2为特异材料，3为非谐振接收线圈，4为介质板，5为金属谐振环，6为集总电容。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明涉及一种基于特异材料的多目标非辐射无线电能传输系统，其结构如图1-3所示，主要由非谐振激励线圈1，特异材料2，非谐振接收线圈3组成。非谐振激励线圈1与非谐振接收线圈3位于特异材料2所在平面的两侧。非谐振激励线圈1、特异材料2以及非谐振接收线圈3通过磁场近场相互耦合来进行无线电能传输；特异材料的电磁模式，在不同频率下，可以呈现出丰富的场强空间分布状态。非谐振激励线圈1与非谐振接收线圈3均为非谐振圆形金属铜线环。
特异材料2由介质板4以及加载集总电容6的金属谐振环5组成；非谐振激励线圈1、非谐振接收线圈3分别置于特异材料两侧。
介质板4为FR_4环氧树脂制成的介质板，介电常数为2.6，板厚为1mm；金属谐振环5外径为13mm，内径为11.5mm，厚度为0.0175mm，开口狭缝为1.5mm，环与环之间的距离为13.5mm；集总电容6数值大小为15pf；非谐振激励线圈1及接收线圈3均由绕线直径为30mm，横截半径为1mm圆形金属铜线环构成。
采用本发明非辐射无线电能传输系统通过电磁场全场仿真和实验测试得到的系统的反射谱线，如图4所示。仿真和实验的频率范围为200MHz～450MHz。从图中可以看出，平面金属谐振环阵列耦合形成一个比较宽的通带，能带宽度约为90MHz。此外，通带内存在多个共振模式，选取的5个目标频率点就包含在其中。
采用本发明非辐射无线电能传输系统通过理论计算得到的系统的二维色散曲线，如图5所示。图中标识的5条不同曲线分别对应5个不同的频率，分别为：0.935ω0，0.953ω0，0.998ω0，1.135ω0，1.243ω0。(ω0为加载集总电容6的金属谐振环5的工作频率，大小为324MHz)。
采用本发明非辐射无线电能传输系统通过电磁场全场仿真得到的距离特异材料0.5cm处的磁场分布，如图6(a)所示。从中可以很明显的看到，5个频率点所对应的磁场分布各不相同，有圆斑、雪花、同心圆等多点磁场分布形态。这是由于每个谐振单元具有很小的电尺寸(1/100于工作波长)，所以可以激发出深亚波长的磁共振模式。其中在0.935w0频率点处，由于带边效应，较为均匀的磁场分布可以被观察到，均匀场强面积占到整个样品面积的80％以上。
本发明通过实验测试得到的距离特异材料0.5cm处的磁场分布，如图6(b)所示。我们在24cm×24cm(样品的尺寸)的范围内等间距扫描了49×49个格点。从图中可以看出，通带内不同频率电磁模式呈现出丰富的场强空间分布状态。
因此，这种基于特异材料的非辐射无线电能传输系统在移动设备，植入式医疗设备，电动汽车大面积、多目标的无线供电等方面具有广阔的应用前景。
Claims (7)
1.一种基于特异材料的多目标非辐射无线电能传输系统，其特征在于，该无线电能传输系统由非谐振激励线圈(1)、特异材料(2)和非谐振接收线圈(3)组成，特异材料(2)设置于非谐振激励线圈(1)和非谐振接收线圈(3)之间；
所述的非谐振激励线圈(1)连接电压源或者其他激励源，
所述的非谐振接收线圈(3)连接负载或者其他储能设备，
所述的特异材料(2)由介质板(4)以及介质板(4)上设置的加载集总电容(6)的大小相同且具有六角晶格分布的金属谐振环(5)陈列组成；
非谐振激励线圈(1)、特异材料(2)以及非谐振接收线圈(3)之间利用磁场近场相互耦合来进行无线电能传输，非谐振接收线圈在特异材料不同位置处接收效率不同。
2.根据权利要求1所述的基于特异材料的多目标非辐射无线电能传输系统，其特征在于，所述的非谐振激励线圈(1)和特异材料(2)组合结构是具有多点磁场近场分布的驱动天线，特异材料(2)中金属谐振环(5)的个数不少于19个。
3.根据权利要求1所述的基于特异材料的多目标非辐射无线电能传输系统，其特征在于，所述的特异材料(2)结构大小为240mm×240mm。
4.根据权利要求1所述的基于特异材料的多目标非辐射无线电能传输系统，其特征在于，所述的介质板(4)为FR_4环氧树脂制成的介质板，介电常数为2.6，厚度为1mm。
5.根据权利要求1所述的基于特异材料的多目标非辐射无线电能传输系统，其特征在于，所述的金属谐振环(5)外径为13mm，内径为11.5mm，厚度为0.0175mm，开口狭缝为1.5mm，环与环之间的距离为13.5mm。
6.根据权利要求1所述的基于特异材料的多目标非辐射无线电能传输系统，其特征在于，所述的集总电容(6)为表面封装贴片电容元件，电容数值大小为15pf。
7.根据权利要求1所述的基于特异材料的多目标非辐射无线电能传输系统，其特征在于，所述的非谐振激励线圈(1)及非谐振接收线圈(3)绕线直径均为30mm，横截半径为1mm圆形金属铜线环。
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