一種無線能量傳輸高輻射效率電小螺旋天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線能量傳輸領(lǐng)域，具體涉及一種無線能量傳輸高輻射效率電小螺旋天線。
【背景技術(shù)】
[0002]根據(jù)能量傳輸實(shí)現(xiàn)機(jī)理和方式的不同，無線能量傳輸技術(shù)大致上可分為基于電磁感應(yīng)原理的無線能量傳輸技術(shù)、通過天線發(fā)送和接收的電磁波能量傳輸技術(shù)(RF無線電波技術(shù))、激光技術(shù)、微波技術(shù)和基于電場原理的容性無線電能傳輸技術(shù)。這些能量傳輸方式中，激光方式只能點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，且易受環(huán)境因素的影響;微波和RF無線電波方式在大功率能量傳輸過程中均存在輻射太強(qiáng)，對人體有害的弊端；電場耦合無線電能傳輸?shù)募夹g(shù)目前尚處于起步階段。
[0003]所謂近場，指的是介于感應(yīng)區(qū)和遠(yuǎn)場自由空間之間的高效率能量傳輸區(qū)域。2007年，美國麻省理工大學(xué)的研究出基于耦合模理論磁耦合諧振技術(shù)中距離無線能量傳輸?shù)膬纱罂蒲谐晒?1)當(dāng)兩個(gè)線圈諧振頻率相同的情況下(ω 1= ω 2)，兩個(gè)線圈的磁場處在強(qiáng)耦合諧振狀態(tài)，此時(shí)，諧振初級線圈不斷從激勵(lì)源中抽取能量，通過強(qiáng)耦合諧振方式傳遞給諧振次級線圈；2)兩線圈的品質(zhì)因子越大，即儲(chǔ)存的電抗能量/輻射及歐姆損耗比率越大，線圈周圍空間儲(chǔ)存磁場能量越高，福射、歐姆損耗越小，兩線圈無線能量傳輸效率越高。自此以來，國內(nèi)外關(guān)于近場無線能量傳輸?shù)难芯吭絹碓綗?。根?jù)工作原理，基本分為兩大類，一類是兩線圈系統(tǒng)，此類系統(tǒng)直接將能量從初級線圈通過諧振傳輸至次級線圈，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但傳輸距離短，效率低。另一類是四線圈系統(tǒng)，此類系統(tǒng)在初級線圈與次級線圈中加兩個(gè)同頻諧振器，通過初級、次級線圈優(yōu)化匹配阻抗，增大傳輸效率，通過諧振器增加傳輸距離。

【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)明提供一種無線能量傳輸高輻射效率電小螺旋天線。
[0005]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種無線能量傳輸高輻射效率電小螺旋天線，用于無線能量傳輸系統(tǒng)發(fā)射及接收天線，包括介質(zhì)基板、饋電環(huán)、信號(hào)饋入線及螺旋諧振器，所述饋電環(huán)印制在介質(zhì)基板上，所述介質(zhì)基板及螺旋諧振器接觸，且放置在同一中軸線上，所述饋電環(huán)由三個(gè)末端相連的金屬環(huán)及外加電容構(gòu)成，所述螺旋諧振器由銅帶從內(nèi)到外交錯(cuò)螺旋而成。
[0007]所述三個(gè)金屬環(huán)包括外金屬環(huán)、內(nèi)金屬環(huán)及中間金屬環(huán)，所述外加電容位于外金屬環(huán)與介質(zhì)基板長度方向中線的交點(diǎn)處。
[0008]所述螺旋諧振器由銅帶從內(nèi)到外交錯(cuò)螺旋而成，具體內(nèi)環(huán)銅帶寬度為4cm，外環(huán)寬度外5cm，內(nèi)、外環(huán)間距2cm。
[0009]還包括橋接電容，橋接在螺旋諧振器內(nèi)環(huán)起點(diǎn)與外環(huán)終點(diǎn)的連接處。
[0010]所述外加電容為300pf，橋接電容為180pf。
[0011]饋電環(huán)的外金屬環(huán)延伸至介質(zhì)板邊緣形成饋電口，所述信號(hào)饋入線與饋電口連接。
[0012]外金屬環(huán)直徑為I Icm，內(nèi)金屬環(huán)直徑為8cm，在內(nèi)金屬環(huán)直徑1/3處蜿蜒，中間金屬環(huán)位于內(nèi)外兩金屬環(huán)中心，環(huán)寬均為3_。
[0013]本天線作為無線能量傳輸系統(tǒng)發(fā)射與接收天線時(shí)采用鏡面對稱結(jié)構(gòu)，且發(fā)射、接收天線置于同一水平線上。
[0014]所述中間金屬環(huán)及外金屬環(huán)均為矩形環(huán)。
[0015]本發(fā)明的有益效果:
[0016](I)采用條帶狀金屬諧振器而非線型金屬，減少導(dǎo)體損耗，增大輻射效率。
[0017](2)條帶狀導(dǎo)體采用交錯(cuò)螺旋方式，使得電流能限制在諧振器最外層的物理范圍內(nèi)，進(jìn)一步減少能量損耗，增大輻射效率。
[0018](3)采用新型饋電環(huán)，使得整個(gè)天線系統(tǒng)能更好地實(shí)現(xiàn)50歐姆阻抗匹配。
[0019](4)根據(jù)球形模理論，電小天線輻射效率越高，無線能量傳輸效率就越高，以(I)
(2)方法形成的兩新型電小天線分別作為無線能量傳輸發(fā)射與接受天線，獲得高效率無線能量傳輸，在60厘米(3倍天線最大直徑)距離無線能量傳輸效率達(dá)92.4%。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明一種無線能量傳輸高輻射效率電小螺旋天線的結(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖2是圖1中的饋電環(huán)結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖3是圖1中螺旋諧振器的結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖4是本發(fā)明用于無線能量傳輸系統(tǒng)發(fā)射及接收天線的結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖5是本發(fā)明工作在60cm、70cm以及80cm時(shí)的能量傳輸效率曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對本發(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。
[0026]實(shí)施例
[0027]如圖1所示，一種無線能量傳輸高輻射效率電小螺旋天線，用于無線能量傳輸系統(tǒng)發(fā)射及接收天線，包括介質(zhì)基板1、饋電環(huán)、信號(hào)饋入線及螺旋諧振器2，所述饋電環(huán)印制在介質(zhì)基板上，所述介質(zhì)基板I及螺旋諧振器2直接接觸，且放置在同一中軸線上，所述饋電環(huán)由三個(gè)末端相連的金屬環(huán)及外加電容構(gòu)成，所述螺旋諧振器2由銅帶從內(nèi)到外交錯(cuò)螺旋而成。
[0028]所述饋電環(huán)由三個(gè)金屬環(huán)及外加電容構(gòu)成，具體為外金屬環(huán)、內(nèi)金屬環(huán)及中間金屬環(huán)，所述外加電容位于外金屬環(huán)與介質(zhì)基板長度方向中線的交點(diǎn)處，本實(shí)施例中，外金屬環(huán)及中間金屬環(huán)均為矩形環(huán)，外金屬環(huán)直徑為11cm，內(nèi)金屬環(huán)直徑為8cm，在內(nèi)金屬環(huán)直徑I/3處蜿蜒，中間金屬環(huán)位于內(nèi)外兩金屬環(huán)中心，環(huán)寬均為3mm。電流由饋電口 5饋入，通過此新型饋電環(huán)，實(shí)現(xiàn)50歐姆端口良好匹配，減少端口損耗。
[0029]饋電環(huán)的外金屬環(huán)延伸至介質(zhì)板邊緣形成饋電口5，所述信號(hào)饋入線與饋電口連接。
[0030]介質(zhì)基板材料采用RT/Duroid5880，介電常數(shù)為2.2，損耗角正切為0.0009，厚度為1.57mm0
[0031]所述三個(gè)金屬環(huán)若采用其他形狀，將難以實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配特性，外加電容大小為300pf，由于饋電環(huán)本身的自電感不能忽略，在此，我們加一個(gè)外加電容抵消饋電環(huán)的自電感，起調(diào)諧作用，大小可變，但300pf為最佳。
[0032]所述螺旋諧振器由銅帶從內(nèi)到外交錯(cuò)螺旋而成，也可采用其他金屬，但銅的性價(jià)比最高。內(nèi)環(huán)銅帶寬度為4cm，外環(huán)為5cm。內(nèi)外環(huán)之間間距2cm。上述尺寸根據(jù)實(shí)際情況可調(diào)，最終達(dá)到系統(tǒng)諧振頻率13.56MHz，同時(shí)，內(nèi)環(huán)起點(diǎn)與外環(huán)終點(diǎn)橋接一電容，起調(diào)諧作用，大小為180pf，使天線的輻射效率為93.5 %。無線能量傳輸是天線直徑、工作頻率及工作距離的函數(shù)，本發(fā)明是電小天線，且ka = 0.04的數(shù)量級。通過此新型交錯(cuò)螺旋方式條帶狀導(dǎo)體螺旋諧振器，使得電流能限制在諧振器最外層的物理范圍內(nèi)，進(jìn)一步減少能量損耗，增大輻射效率。從而使得接收天線能接收到的能量最大化。
[0033]本發(fā)明工作頻率在13.56兆赫茲，較kHz頻率，諧振線長度減小，近場范圍較大，耦合強(qiáng)度增加。
[0034]如圖4所示，本實(shí)施例中，發(fā)射天線與接收天線采用鏡面對稱結(jié)構(gòu)，且發(fā)射、接收天線置于同一水平線上。
[0035]圖2中Cf為外加電容，大小為300pf ； ds為外環(huán)直徑，長度I 1mm ； d2為內(nèi)環(huán)直徑，長度80mm;dw為印制金屬線寬，寬度3mm。
[0036]圖3中3表示內(nèi)環(huán)起點(diǎn)，4表示外環(huán)終點(diǎn)。C表示橋接電容，大小為180pf;wl為內(nèi)環(huán)高度，4cm;w2為外環(huán)高度，5cm;g表示兩環(huán)之間間距，為2cm;箭頭方向表示螺旋帶的繞制方向。
[0037]以上述尺寸制作的無線能量傳輸電小天線的能量傳輸效率仿真結(jié)果如圖5所示。在60cm( 3倍最大尺寸)處，傳輸效率達(dá)90 %以上，在70cm處，傳輸效率達(dá)80 %以上，在80cm處，達(dá)60 %以上，說明本發(fā)明具有良好的能量傳輸特性。
[0038]本發(fā)明介質(zhì)基板與諧振器內(nèi)環(huán)直接接觸，使得電流能限制在諧振器最外層的物理范圍內(nèi)，進(jìn)一步減少能量損耗，增大輻射效率。
[0039]本發(fā)明低頻、大小與輻射效率平衡優(yōu)化，以獲得以最小體積獲得最大輻射效率及最遠(yuǎn)無線能量傳輸距離。
[0040]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)】
1.一種無線能量傳輸高輻射效率電小螺旋天線，用于無線能量傳輸系統(tǒng)發(fā)射及接收天線，其特征在于，包括介質(zhì)基板、饋電環(huán)、信號(hào)饋入線及螺旋諧振器，所述饋電環(huán)印制在介質(zhì)基板上，所述介質(zhì)基板及螺旋諧振器接觸，且放置在同一中軸線上，所述饋電環(huán)由三個(gè)末端相連的金屬環(huán)及外加電容構(gòu)成，所述螺旋諧振器由銅帶從內(nèi)到外交錯(cuò)螺旋而成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無線能量傳輸高輻射效率電小螺旋天線，其特征在于，所述三個(gè)末端相連的金屬環(huán)包括外金屬環(huán)、內(nèi)金屬環(huán)及中間金屬環(huán)，所述外加電容位于外金屬環(huán)與介質(zhì)基板長度方向中線的交點(diǎn)處。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無線能量傳輸高輻射效率電小螺旋天線，其特征在于，所述螺旋諧振器由銅帶從內(nèi)到外交錯(cuò)螺旋而成，具體內(nèi)環(huán)銅帶寬度為4cm，外環(huán)寬度外5cm，內(nèi)、夕卜環(huán)間距2cm。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種無線能量傳輸高輻射效率電小螺旋天線，其特征在于，所述螺旋諧振器還包括橋接電容，橋接在螺旋諧振器內(nèi)環(huán)起點(diǎn)與外環(huán)終點(diǎn)的連接處。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種無線能量傳輸高輻射效率電小螺旋天線，其特征在于，夕卜加電容為300pf，橋接電容為180pf。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無線能量傳輸高輻射效率電小螺旋天線，其特征在于，饋電環(huán)的外金屬環(huán)延伸至介質(zhì)基板邊緣形成饋電口，所述信號(hào)饋入線與饋電口連接。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種無線能量傳輸高輻射效率電小螺旋天線，其特征在于，夕卜金屬環(huán)直徑為11 cm，內(nèi)金屬環(huán)直徑為8cm，在內(nèi)金屬環(huán)直徑1/3處蜿蜒，中間金屬環(huán)位于內(nèi)外兩金屬環(huán)中心，環(huán)寬均為3_。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無線能量傳輸高輻射效率電小螺旋天線，其特征在于，本天線作為無線能量傳輸系統(tǒng)發(fā)射與接收天線時(shí)采用鏡面對稱結(jié)構(gòu)，且發(fā)射與接收天線置于同一水平線上。9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種無線能量傳輸高輻射效率電小螺旋天線，其特征在于，所述中間金屬環(huán)及外金屬環(huán)均為矩形環(huán)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無線能量傳輸高輻射效率電小螺旋天線，用于無線能量傳輸系統(tǒng)發(fā)射及接收天線，包括介質(zhì)基板、饋電環(huán)、信號(hào)饋入線及螺旋諧振器，所述饋電環(huán)印制在介質(zhì)基板上，所述介質(zhì)基板及螺旋諧振器接觸，且放置在同一中軸線上，所述饋電環(huán)由三個(gè)末端相連的金屬環(huán)及外加電容構(gòu)成，所述螺旋諧振器由銅帶從內(nèi)到外交錯(cuò)螺旋而成。本發(fā)明能夠減少導(dǎo)體損耗，增大輻射效率。
【IPC分類】H01Q1/36, H02J50/27, H01Q1/50, H01Q7/06
【公開號(hào)】CN105470634
【申請?zhí)枴緾N201510846649
【發(fā)明人】黃惠芬, 李婷
【申請人】華南理工大學(xué)
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2015年11月26日