CN107749772B - 一种无线能量信息同步传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种无线能量信息同步传输系统，包括信号调制器(1)、第一耦合变压器(2)、交流源(3)、第一多谐振单元(4)、主耦合线圈(5)、第二多谐振单元(6)、第二耦合变压器(7)、负载(8)和信号解调器(9)。本发明构建了多谐振单元，该单元至少包含两个谐振频率，在保障良好的能量传输性能的基础上，引入了一个信号频率，两者在同步传输时可以达到互不干扰。本发明使能量以及信息均可以获得最佳的传输特性。同时本发明还给出了一种可以调节耦合系数的信号耦合变压器，通过调节该耦合变压器的旋转角度可以达到调节通信系统信号接收电压以及信噪比的目的。

Description

一种无线能量信息同步传输系统

技术领域

本发明属于无线携能通信技术领域，特别涉及一种无线能量信息同步传输系统。

背景技术

随着近十年来的技术积累，在实验室中的研究成果逐渐走向产业化。许多高新技术产品如新能源汽车、人体植入式设备、智能设备等已经采用无线能量传输技术。其中许多产品需要配套的通信设施，以人体植入式设备的无线能量传输技术为例，该技术的设计初衷是为了使相应医疗设备能够通过体外供电的方式在病人体内持续工作，以避免二次手术给患者带来更多痛苦。由于该设备在人体内工作，因此体积是一个重要技术指标，此外由于需要监控设备运行状态以及掌握相关生理指标，能量传输系统需要承担一定的通信功能以满足数据传输的要求。传统的设计方案会增加额外的WIFI等通信模块，系统需要额外的空间来布置天线，因此需要开发一种利用能量传输回路进行通信的技术。为了满足这一需求发展出了磁耦合谐振式无线携能通信技术，该技术包含磁耦合谐振式无线通信技术和磁耦合谐振式无线能量传输技术两个部分，两者的系统结构类似，均以交变磁场为传输手段，通过电磁感应原理来接收能量与信息并完成解调工作，现有的技术方案大多以具有单一谐振频率的系统结构进行设计，设计时难以兼顾能量以及信息的传输效率。

发明内容

本发明为了解决现有的技术问题，提出一种无线能量信息同步传输系统，本发明所设计的无线能量信息同步传输系统采用多谐振拓扑，通信频率合理利用了系统的其他谐振频率，相比于现有方法能够在不影响能量传输的同时更远、更快、更高效地传输信息。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种无线能量信息同步传输系统，包括信号调制器1、第一耦合变压器2、交流源3、第一多谐振单元4、主耦合线圈5、第二多谐振单元6、第二耦合变压器7、负载8和信号解调器9；所述信号调制器1与第一耦合变压器2的原边相连接；所述第一耦合变压器2的副边中的一端连接交流源3，另一端连接第一多谐振单元4；所述交流源3的另一端连接第一多谐振单元4；所述第一多谐振单元4通过主耦合线圈5与第二多谐振单元6连接；所述第二多谐振单元6与第二耦合变压器7的原边中的一端连接，所述负载8与第二耦合变压器7的原边中的另一端连接；所述负载8与第二多谐振单元6连接；所述第二耦合变压器7的副边与信号解调器9相连接；所述第一多谐振单元4与所述第二多谐振单元6结构相同。

进一步地，所述主耦合线圈5包括发射线圈和接收线圈，所述第一多谐振单元4与发射线圈连接，所述第二多谐振单元6与接收线圈连接，能量与信息通过发射线圈和接收线圈之间的互感来进行传输。

进一步地，所述第一多谐振单元4和第二多谐振单元6均为2个储能元件构成的倒L型结构。

进一步地，所述第一多谐振单元4和第二多谐振单元6均为3个储能元件构成的T型、π型、三角型或星型结构。

进一步地，所述信号调制器1包括信号调制模块、功率放大模块、第一通信速率调节电阻以及第一谐振补偿网络；所述信号调制模块、功率放大模块、第一通信速率调节电阻和第一谐振补偿网络依次连接，所述第一谐振补偿网络与第一耦合变压器2连接。

进一步地，所述信号解调器9包括第二谐振补偿网络、第二通信速率调节电阻、信号处理模块以及信号解调模块；所述第二谐振补偿网络、第二通信速率调节电阻、信号处理模块和信号解调模块依次连接，所述第二谐振补偿网络与第二耦合变压器7连接。

进一步地，所述第一耦合变压器2和所述第二耦合变压器7均采用方形或圆形螺线管线圈绕制，通过绕Z轴旋转改变耦合系数。

本发明优点主要体现在以下几个方面：

1、本发明采用了多谐振结构，本发明所提供的多谐振结构具有多个谐振频率，采用其中一个谐振频率可以稳定、高效的传输能量，采用另一个谐振频率可以以较高信噪比高速、高效的传输信息，而且能量与信息传输可以同时进行相互之间没有影响，因此采用本发明中的多谐振系统可以高效的实现能量与信息同步传输的目的。

2、本发明提供了一种利用多谐振结构自身电感元件的信号耦合以及提取方式，这种方式可以有效地减少额外增加的器件数量。该方式提供的可调节耦合变压器相比于一般耦合线圈具有可以通过旋转调节耦合系数从而改变通信系统输出特性的优点。

附图说明

图1是无线能量信息同步传输系统结构图；

图2是倒L型结构的多谐振单元结构图；

图3是T型结构的多谐振单元结构图；

图4是π型结构的多谐振单元结构图；

图5是三角型结构的多谐振单元结构图；

图6是星型结构的多谐振单元结构图；

图7是耦合变压器(含磁芯)示意图；

图8是耦合变压器(不含磁芯)示意图；

图9是信号调制器结构图；

图10是信号解调器结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1，本发明提供一种无线能量信息同步传输系统，包括信号调制器1、第一耦合变压器2、交流源3、第一多谐振单元4、主耦合线圈5、第二多谐振单元6、第二耦合变压器7、负载8和信号解调器9；所述信号调制器1与第一耦合变压器2的原边相连接；所述第一耦合变压器2的副边中的一端连接交流源3，另一端连接第一多谐振单元4；所述交流源3的另一端连接第一多谐振单元4；所述第一多谐振单元4通过主耦合线圈5与第二多谐振单元6连接；所述第二多谐振单元6与第二耦合变压器7的原边中的一端连接，所述负载8与第二耦合变压器7的原边中的另一端连接；所述负载8与第二多谐振单元6连接；所述第二耦合变压器7的副边与信号解调器9相连接；所述第一多谐振单元4与所述第二多谐振单元6结构相同。本发明所述的无线能量信息同步传输系统，其应用于需要近场通信的无线能量传输系统，在保持良好的电能传输性能的同时可以进行较远距离的高速、高效地通信；相应的多谐振单元与耦合变压器共同作为系统的补偿网络，产生了具有多个谐振频率的系统。

所述主耦合线圈5包括发射线圈和接收线圈，所述第一多谐振单元4与发射线圈连接，所述第二多谐振单元6与接收线圈连接，能量与信息通过发射线圈和接收线圈之间的互感来进行传输。

结合图2-图6，所述第一多谐振单元4和第二多谐振单元6均为2个储能元件构成的倒L型结构，或者二者均为3个储能元件构成的T型、π型、三角型或星型结构。所述储能元件为电感或电容。所述第一多谐振单元4和第二多谐振单元6还可以为其他形式结构。构建的多谐振系统具有多个谐振频率，系统选择其中一个频率作为能量传输频率，另一个频率作为信号传输频率，能量与信息通过主耦合线圈间的互感来进行传输。

结合图7和图8，图7为带磁芯的耦合变压器，图8为不带磁芯的耦合变压器，所述第一耦合变压器2和所述第二耦合变压器7均采用方形或圆形螺线管线圈绕制，通过绕Z轴旋转改变耦合系数。耦合变压器利用了多谐振单元中自身具有的电感元件，相比于其他信息加载方式，有效地减少了系统所需元件，减少了设备体积。同时该耦合变压器具有耦合系数可调的优点，通过绕Z轴旋转可以在0到1间改变耦合系数，该条件方式在本发明中用以调节信号的信噪比以及接收信号幅值。当使用1MHz以内的通信频率时可以通过加载磁芯的方式进一步减少变压器漏感并缩减体积。

结合图9，所述信号调制器1包括信号调制模块、功率放大模块、第一通信速率调节电阻以及第一谐振补偿网络；所述信号调制模块、功率放大模块、第一通信速率调节电阻和第一谐振补偿网络依次连接，所述第一谐振补偿网络与第一耦合变压器2连接。信号调制器1采用FSK、ASK等信号调制方式产生调制信号，由于该调制信号无法输出较大功率因此在后级增加一级功率放大模块用以提升功率输出能力。同时增加通信速率调节电阻，调节该电阻的阻值可以调节通信回路的响应时间，该响应时间对应了系统的最大通信速率，因此通信速率调节电阻的引入可以调整系统最大通信速率。为了补偿信号回路的无功功率设置了针对信号频率设计的谐振补偿网络，增加的谐振补偿网络能够将信号传输功率最大化的同时具有选频特性能够滤除部分噪声，为了获得更好的传输特性可以采用更加复杂的多谐振配谐方式。

结合图10，所述信号解调器9包括第二谐振补偿网络、第二通信速率调节电阻、信号处理模块以及信号解调模块；所述第二谐振补偿网络、第二通信速率调节电阻、信号处理模块和信号解调模块依次连接，所述第二谐振补偿网络与第二耦合变压器7连接。信号解调器9采用了与信号调制器1类似的谐振配谐方式以补偿通信回路的无功功率并且具有滤波功能以保障较高的信噪比。第二通信速率调节电阻功能与第一通信速率调节电阻相同。由于采集到的信号往往信号幅值较小因此增加一级信号处理模块，该模块包含信号放大、滤波模块对信号进行预处理，处理后的信号通过鉴别频率或者包络检波的方式完成信号的解调工作。

本发明构建了多谐振单元，该单元至少包含两个谐振频率，在保障良好的能量传输性能的基础上，引入了一个信号频率，两者在传输时可以达到互不干扰。在两个谐振频率下均可以满足对系统的无功补偿，因此传输效率较高，相比于原有单谐振系统，本发明使能量以及信息均可以获得最佳的传输特性。原有的系统设计方法需要电源同时兼顾能量输出以及信号调制任务，本发明所采用的信号耦合方式降低了系统对于电源性能的要求，通过两个不同功率等级的电源分别承担能量以及信息的传输任务，这对于电源设计降低了需求且节约了成本。本发明所设计的耦合变压器具有耦合系数可变的优点，在实际使用当中可以通过微调这一器件来调整系统的信噪比以及信号接收电压，相比于固定参数变压器给通信系统参数调整带来了方便。相比于一般能量与信息传输结构拓扑，本发明在保障连续稳定的能量传输并满足了系统的通信需求时兼顾了整体效率以及后期系统通信参数的微调。

以上对本发明所提供的一种无线能量信息同步传输系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种无线能量信息同步传输系统，其特征在于：包括信号调制器(1)、第一耦合变压器(2)、交流源(3)、第一多谐振单元(4)、主耦合线圈(5)、第二多谐振单元(6)、第二耦合变压器(7)、负载(8)和信号解调器(9)；所述信号调制器(1)与第一耦合变压器(2)的原边相连接；所述第一耦合变压器(2)的副边中的一端连接交流源(3)，另一端连接第一多谐振单元(4)；所述交流源(3)的另一端连接第一多谐振单元(4)；所述第一多谐振单元(4)通过主耦合线圈(5)与第二多谐振单元(6)连接；所述第二多谐振单元(6)与第二耦合变压器(7)的原边中的一端连接，所述负载(8)与第二耦合变压器(7)的原边中的另一端连接；所述负载(8)与第二多谐振单元(6)连接；所述第二耦合变压器(7)的副边与信号解调器(9)相连接；所述第一多谐振单元(4)与所述第二多谐振单元(6)结构相同；

所述信号调制器(1)包括信号调制模块、功率放大模块、第一通信速率调节电阻以及第一谐振补偿网络；所述信号调制模块、功率放大模块、第一通信速率调节电阻和第一谐振补偿网络依次连接，所述第一谐振补偿网络与第一耦合变压器(2)连接；

所述信号解调器(9)包括第二谐振补偿网络、第二通信速率调节电阻、信号处理模块以及信号解调模块；所述第二谐振补偿网络、第二通信速率调节电阻、信号处理模块和信号解调模块依次连接，所述第二谐振补偿网络与第二耦合变压器(7)连接；

所述第一耦合变压器(2)和所述第二耦合变压器(7)均采用方形或圆形螺线管线圈绕制，通过绕Z轴旋转改变耦合系数。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述主耦合线圈(5)包括发射线圈和接收线圈，所述第一多谐振单元(4)与发射线圈连接，所述第二多谐振单元(6)与接收线圈连接，能量与信息通过发射线圈和接收线圈之间的互感来进行传输。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述第一多谐振单元(4)和第二多谐振单元(6)均为2个储能元件构成的倒L型结构。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述第一多谐振单元(4)和第二多谐振单元(6)均为3个储能元件构成的T型、π型、三角型或星型结构。

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