RU2490785C1

RU2490785C1 - Metamaterial resonance structure

Info

Publication number: RU2490785C1
Application number: RU2012100031/08A
Authority: RU
Inventors: Орест Генрихович Вендик; Ирина Борисовна Вендик; Дмитрий Викторович Холодняк; Павел Анатольевич Туральчук; Дмитрий Сергеевич Козлов; Евгения Юрьевна Замешаева; Су Сонг Кеум; Михаил Николаевич Макурин
Original assignee: Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд."
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2013-08-20
Also published as: KR101925842B1; RU2012100031A; KR20130082119A

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: resonance structure consists of multiple annular resonators, and is characterised by that it is a combination of strongly coupled annular resonators arranged one below the other with a gap in between, said combination having metamaterial properties, and each resonator being shunted by a capacitor, wherein each annular resonator with a gap is made in form of a metal strip on a dielectric substrate and is connected to an adjacent resonator with a gap by a series-connected capacitor.

EFFECT: increasing inductance while reducing dimensions.

17 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к электрорадиотехнике, а более конкретно - к системам беспроводной передачи энергии.The invention relates to electrical engineering, and more specifically to wireless energy transmission systems.

Из уровня техники известны различные решения, касающиеся передачи энергии при помощи радиоволн, причем основные идеи восходят к работам Николы Тесла на рубеже XIX-XX веков (см. [1], [2]). В последующие годы для беспроводной передачи энергии было предложено использовать устройство, известное как «ректенна». Ректенна - это выпрямляющая антенна, которая применяется для непосредственного преобразования СВЧ-энергии в электрическую энергию постоянного тока. Для приема радиочастотных сигналов могут использоваться различные типы антенн (см. [3]-[6]). Большинство подобных систем беспроводной передачи энергии работают в ГГц - частотном диапазоне. К недостаткам таких решений следует отнести тот факт, что данный диапазон небезопасен для здоровья человека.Various solutions are known from the prior art regarding the transmission of energy using radio waves, and the basic ideas go back to the work of Nikola Tesla at the turn of the XIX-XX centuries (see [1], [2]). In subsequent years, it was proposed to use a device known as rectenna for wireless energy transmission. Rectenna is a rectifying antenna that is used to directly convert microwave energy into direct current electrical energy. Various types of antennas can be used to receive RF signals (see [3] - [6]). Most of these wireless power transmission systems operate in the GHz frequency range. The disadvantages of such decisions include the fact that this range is unsafe for human health.

Другой подход к беспроводной передаче энергии был предложен в работе [7]. Этот метод основан на хорошо известном принципе: две разнесенные катушки, настроенные на одинаковую резонансную частоту, формируют систему, в которой передача энергии может эффективно осуществляться за счет магнитного взаимодействия между рамками. В то же время взаимодействие с другими нерезонансными объектами крайне мало. Подобные системы работают в МГц - частотном диапазоне, поэтому они могут использоваться в повседневной жизни.Another approach to wireless energy transfer was proposed in [7]. This method is based on a well-known principle: two spaced coils tuned to the same resonant frequency form a system in which energy can be transferred efficiently through magnetic interaction between the frames. At the same time, interaction with other non-resonant objects is extremely small. Such systems work in the MHz - frequency range, so they can be used in everyday life.

В патенте Н. Тесла №649,621 [8] представлены приемная и передающая катушки, выполненные как составные части системы передачи энергии. Катушки представляют собой многовитковую спираль с магнитным сердечником. Большой диаметр катушек является основным недостатком такой системы.In the patent of N. Tesla No. 649,621 [8], there are receiving and transmitting coils made as components of an energy transmission system. Coils are a multi-turn spiral with a magnetic core. The large diameter of the coils is the main disadvantage of such a system.

В патентной заявке США № «Аппарат для беспроводной передачи энергии на основе высокодобротного низкочастотного резонатора в ближнем магнитном поле» [9] показано, как метаматериалы могут применяться в системах беспроводной передачи энергии. Предложенная авторами структура состоит из подложки, пронизанной металлизированными отверстиями и металлизированными щелями. Чтобы рабочая частота такой системы находилась в диапазоне до 100 МГц, система должна обладать высокой индуктивностью. Столь высокие значения индуктивности не могут быть реализованы указанным в заявке способом.US Patent Application No. "A device for wireless power transmission based on a high-Q low-frequency resonator in the near magnetic field" [9] shows how metamaterials can be used in wireless power transmission systems. The structure proposed by the authors consists of a substrate penetrated by metallized holes and metallized gaps. For the operating frequency of such a system to be in the range of up to 100 MHz, the system must have high inductance. Such high inductance values cannot be realized by the method specified in the application.

В статье «Анализ, экспериментальные результаты и частотная адаптация резонаторов с магнитной связью для беспроводной передачи энергии» («Analysis, Experimental Results, and Range Adaptation of Magnetically Coupled Resonators for Wireless Power Transfer») [10] описана приемо-передающая часть системы беспроводной передачи энергии, которая состоит из рамки и высокодобротной многовитковой катушки, имеющей форму спирали. Между рамкой и катушкой обеспечена магнитная связь. К недостаткам такой системы можно отнести сравнительно большие габаритные размеры катушки. Описанная в этой статье катушка представляет собой спираль из 6 витков, ее внешний диаметр составляет 59 см, рабочая частота - 10 МГц.The article “Analysis, Experimental Results, and Frequency Adaptation of Magnetically Coupled Resonators for Wireless Power Transfer” [10] describes the transceiver part of a wireless transmission system energy, which consists of a frame and a high-quality multi-turn coil having a spiral shape. Between the frame and the coil a magnetic connection is provided. The disadvantages of such a system include the relatively large overall dimensions of the coil. The coil described in this article is a spiral of 6 turns, its outer diameter is 59 cm, and the operating frequency is 10 MHz.

Техническое решение, которое по своим признакам является наиболее близким к заявляемому изобретению, описано в статье «Характеристики плоской лепестковой резонансной катушки, полученные методом схемотехнического моделирования» («Performance of a petal resonator surface (PERES) coil via equivalent circuit simulations») [11]. Предложенная в [11] структура (см. Фиг.1) имеет большую эффективность по сравнению с обычной круглой рамкой. Эквивалентная схема П-образной элементарной ячейки рамки состоит из последовательной индуктивности и двух заземленных конденсаторов. Эквивалентная схема рамки состоит из каскадного соединения восьми идентичных эквивалентных ячеек. Описанный в статье резонатор реализован в виде однослойной структуры, состоящей из отрезков микрополосковых линий, перемычек и навесных конденсаторов. Диаметр кольцевой структуры не превышает 10 см. Резонатор имеет высокую добротность и работает на частоте 64 МГц. Недостаток лепестковой резонансной структуры заключается в отсутствии взаимной индуктивности, из-за чего структуру приходится выполнять крупногабаритной для достижения необходимой индуктивности резонатора.The technical solution, which in its features is closest to the claimed invention, is described in the article “Performance of a petal resonator surface (PERES) coil via equivalent circuit simulations” [11] . The structure proposed in [11] (see FIG. 1) has greater efficiency compared to a conventional round frame. The equivalent circuit of the U-shaped unit cell of the frame consists of a series inductance and two grounded capacitors. An equivalent frame circuit consists of a cascade of eight identical equivalent cells. The resonator described in the article is implemented in the form of a single-layer structure consisting of segments of microstrip lines, jumpers, and mounted capacitors. The diameter of the ring structure does not exceed 10 cm. The resonator has a high quality factor and operates at a frequency of 64 MHz. The disadvantage of the flap resonance structure is the lack of mutual inductance, which is why the structure has to be made large in order to achieve the necessary resonator inductance.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке такой резонансной структуры, которая позволяла бы добиться высокой величины индуктивности при уменьшении габаритных размеров. При этом авторы исходили из того, что в случае, когда между индуктивными компонентами структуры возникает взаимная индуктивность, индуктивность всей структуры возрастает при тех же размерах.The problem to which the invention is directed, is to develop such a resonant structure that would allow to achieve a high value of inductance while reducing overall dimensions. Moreover, the authors proceeded from the fact that in the case when mutual inductance arises between the inductive components of the structure, the inductance of the entire structure increases at the same dimensions.

Технический результат достигается за счет разработки усовершенствованной резонансной структуры, состоящей из нескольких кольцевых резонаторов, причем заявляемая структура представляет собой обладающую свойствами метаматериала комбинацию расположенных друг под другом сильно связанных кольцевых резонаторов с зазором, каждый из которых зашунтирован конденсатором, при этом каждый кольцевой резонатор с зазором выполнен в виде металлической полоски на диэлектрической подложке и соединен с соседним резонатором с зазором с помощью последовательно включенного навесного конденсатора.The technical result is achieved through the development of an improved resonant structure consisting of several ring resonators, the claimed structure being a metamaterial combination of strongly coupled ring resonators located under each other with a gap, each of which is shunted by a capacitor, and each ring resonator with a gap is made in the form of a metal strip on a dielectric substrate and connected to an adjacent resonator with a gap by means of a mounted on-board capacitor.

Согласно одному из вариантов реализации конденсаторы в заявляемой резонансной структуре представляют собой навесные конденсаторы.According to one embodiment, the capacitors in the inventive resonant structure are mounted capacitors.

В заявляемой резонансной структуре кольцевые резонаторы с зазором повернуты относительно друг друга на угол, выбранный так, чтобы обеспечивалась возможность размещения последовательного навесного конденсатора.In the inventive resonant structure, the ring resonators with a gap are rotated relative to each other by an angle selected so as to provide the possibility of placing a serial mounted capacitor.

В заявляемой резонансной структуре кольцевые резонаторы с зазором имеют круглую форму или многоугольную форму с произвольным количеством сторон.In the inventive resonant structure, ring resonators with a gap have a round shape or a polygonal shape with an arbitrary number of sides.

В заявляемой резонансной структуре толщина диэлектрической подложки лежит в диапазоне от 50 до 1500 мкм.In the inventive resonant structure, the thickness of the dielectric substrate lies in the range from 50 to 1500 microns.

В заявляемой резонансной структуре диэлектрическая проницаемость диэлектрической подложки лежит в диапазоне от 2 до 20.In the inventive resonant structure, the dielectric constant of the dielectric substrate lies in the range from 2 to 20.

В заявляемой резонансной структуре число кольцевых резонаторов с зазором может быть сколь угодно большим.In the inventive resonant structure, the number of ring resonators with a gap can be arbitrarily large.

Заявляемая резонансная структура для беспроводной передачи энергии работает в диапазоне частот 1-100 МГц.The inventive resonant structure for wireless energy transfer operates in the frequency range 1-100 MHz.

Заявляемая резонансная структура изготавливается с применением гибридной технологии керамики с низкой температурой обжига или технологии печатных плат, позволяющих использование компонентов поверхностного монтажа.The inventive resonant structure is manufactured using hybrid technology of ceramics with a low firing temperature or technology of printed circuit boards, allowing the use of surface mount components.

В заявляемой резонансной структуре каждый кольцевой резонатор с зазором с шунтирующей емкостью и одной последовательной емкостью описывается эквивалентной электрической схемой, состоящей из параллельного LC-контура, последовательно соединенного с конденсатором.In the inventive resonant structure, each ring resonator with a gap with a shunt capacitance and one series capacitance is described by an equivalent electrical circuit consisting of a parallel LC circuit connected in series with a capacitor.

В заявляемой резонансной структуре каждый указанный параллельный LC-контур состоит из индуктивного и емкостного элементов с последовательно подключенным к каждому активным сопротивлением.In the inventive resonant structure, each specified parallel LC circuit consists of inductive and capacitive elements with series-connected resistance.

Эквивалентная схема заявляемой резонансной структуры представляет собой последовательное соединение нескольких секций, каждая из которых представляет параллельный резонансный контур, образованный конденсатором и кольцевым резонатором с зазором, соединенных один с другим посредством навесного конденсатора.The equivalent circuit of the inventive resonant structure is a series connection of several sections, each of which represents a parallel resonant circuit formed by a capacitor and a ring resonator with a gap connected to each other by means of a mounted capacitor.

В заявляемой резонансной структуре комбинация параллельных и последовательных элементов резонансной цепи обуславливает характерное для метаматериалов появление двух резонансов на частотной характеристике входного сопротивления.In the inventive resonant structure, the combination of parallel and serial elements of the resonant circuit causes the appearance of two resonances characteristic of metamaterials on the frequency response of the input impedance.

Добротность заявляемой резонансной структуры составляет от 150 до 200 (Q=150-200).The quality factor of the inventive resonant structure is from 150 to 200 (Q = 150-200).

Согласно одному из вариантов, в заявляемой резонансной структуре по оси кольцевых резонаторов с зазором располагают магнитный стержень.According to one of the options, in the inventive resonant structure along the axis of the ring resonators with a gap have a magnetic rod.

Согласно одному из вариантов, конденсаторы в заявляемой резонансной системе представлять собой конденсаторы, встроенные в диэлектрическую подложку с высоким значением диэлектрической проницаемости.In one embodiment, the capacitors in the inventive resonant system are capacitors embedded in a dielectric substrate with a high dielectric constant.

В целом, заявляемая метаматериальная резонансная структура может использоваться в системах беспроводной передачи энергии в качестве приемника или передатчика. Характерной особенностью данной структуры являются ее малые размеры.In General, the inventive metamaterial resonance structure can be used in wireless energy transmission systems as a receiver or transmitter. A characteristic feature of this structure is its small size.

Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.For a better understanding of the claimed invention the following is a detailed description with the corresponding drawings.

Фиг.1. Плоская лепестковая резонансная катушка с восемью лепестками (уровень техники).Figure 1. Eight-petal flat spade resonance coil (prior art).

Фиг.2. Конструкция одиночного кольцевого резонатора с зазором.Figure 2. Single gap cavity design.

Фиг.3. Эквивалентная схема одиночного кольцевого резонатора с зазором с последовательным и шунтирующим конденсаторами.Figure 3. Equivalent circuit of a single ring resonator with a gap with series and shunt capacitors.

Фиг.4. График частотной зависимости модуля входного сопротивления резонансной ячейки от частоты.Figure 4. Graph of the frequency dependence of the module of the input impedance of the resonant cell on the frequency.

Фиг.5. Конструкция метаматериальной резонансной структуры.Figure 5. The design of the metamaterial resonance structure.

Фиг.6. Эквивалентная схема многовиткового резонатора с учетом взаимной индуктивности.6. Equivalent circuit of a multi-turn resonator taking into account mutual inductance.

Фиг.7. Послойный чертеж многовитковой резонансной конструкции.7. Layered drawing of a multi-turn resonant structure.

Фиг.8. Схема многовитковой резонансной конструкции с соединительными конденсаторами.Fig. 8. The circuit of a multi-turn resonant design with connecting capacitors.

Фиг.9. Метаматериальная резонансная структура с магнитным сердечником.Fig.9. Magnetic core metamaterial resonance structure.

Разработанная метаматериальная резонансная структура представляет собой многослойную структуру, состоящую из нескольких идентичных секций, каждая из которых образована кольцевым резонатором с зазором (КРЗ) и параллельным конденсатором; секции соединены последовательно с использованием конденсаторов. Все емкостные элементы представляют собой навесные конденсаторы, размещаемые по технологии поверхностного монтажа. Резонансная структура является комбинацией параллельных резонансных контуров и последовательных конденсаторов.The developed metamaterial resonance structure is a multilayer structure consisting of several identical sections, each of which is formed by a ring resonator with a gap (SRH) and a parallel capacitor; sections are connected in series using capacitors. All capacitive elements are mounted capacitors placed by surface mounting technology. The resonant structure is a combination of parallel resonant circuits and series capacitors.

Каждый КРЗ 1 представляет собой разомкнутое кольцо (Фиг.2). КРЗ 1 выполнен в виде тонкой металлической полоски 2, например, из меди, расположенной на диэлектрической подложке 3. Толщина металлической полоски b много меньше ее ширины а. На Фиг.2 ″R₀″ - радиус КРЗ, ″а″ - ширина металлизированной полоски, формирующей КРЗ, ″b″ - толщина металлизации. Для электромагнитного возбуждения резонатора используются металлизированные площадки, расположенные по обе стороны от зазора. Толщина диэлектрической подложки лежит в диапазоне от 10 до 1500 мкм. Диэлектрическая проницаемость диэлектрической подложки составляет, как правило, от 2 до 20.Each HRH 1 is an open ring (Figure 2). KRZ 1 is made in the form of a thin metal strip 2, for example, of copper located on a dielectric substrate 3. The thickness of the metal strip b is much less than its width a . In Figure 2, ″ R ₀ ″ is the radius of the short-circuit, ″ a ″ is the width of the metallized strip forming the short-circuit, and ″ b ″ is the thickness of the metallization. For electromagnetic excitation of the resonator, metallized pads located on both sides of the gap are used. The thickness of the dielectric substrate lies in the range from 10 to 1500 microns. The dielectric constant of the dielectric substrate is, as a rule, from 2 to 20.

КРЗ 1 может быть реализован также в виде многоугольника с произвольным количеством сторон. Количество сторон может быть выбрано из технологических соображений, например, в зависимости от условий монтажа навесных конденсаторов.HRH 1 can also be implemented as a polygon with an arbitrary number of sides. The number of sides can be selected from technological considerations, for example, depending on the installation conditions of the mounted capacitors.

Многовитковая резонансная структура (Фиг.5, Фиг.7) состоит из нескольких слоев, каждый из которых представляет собой топологию КРЗ, с шунтирующими конденсаторами 4 и последовательными конденсаторами 5. К КРЗ 1 параллельно подсоединяется шунтирующий конденсатор 4 с емкостью C₁ (Фиг.5, Фиг.7). Каждый КРЗ 1 соединяется с соседними с помощью последовательного конденсатора 5 с емкостью С₀. Контакты между компонентами, расположенными в различных слоях, обеспечиваются с помощью металлизированных отверстий и переходных соединений 6 (Фиг.7).The multi-turn resonant structure (Fig. 5, Fig. 7) consists of several layers, each of which represents the topology of a short-circuit switch, with shunt capacitors 4 and series capacitors 5. A shunt capacitor 4 with a capacitance C _{1 is} connected in parallel to the short-circuit resistor ₁ (Fig. 5 , Fig. 7). Each SCH 1 is connected to the neighboring ones using a series capacitor 5 with a capacitance C ₀ . Contacts between components located in different layers are provided using metallized holes and transition joints 6 (Fig.7).

Несколько диэлектрических подложек 3 с нанесенным рисунком КРЗ 1 расположены друг под другом и повернуты относительно друг друга на определенный угол, как показано на Фиг.5. Угол между двумя резонаторами, расположенными в соседних слоях, выбирается таким, чтобы было достаточно места для размещения последовательного навесного конденсатора 5 с емкостью С₀.Several dielectric substrates 3 with a printed pattern of KRZ 1 are located one under the other and are rotated relative to each other at a certain angle, as shown in FIG. 5. The angle between two resonators located in adjacent layers is selected so that there is enough space to accommodate a sequential mounted capacitor 5 with a capacity of C ₀ .

Каждый КРЗ 1 с шунтирующим конденсатором 4 емкостью C₁ и одним последовательным конденсатором 5 емкостью С₀ описывается эквивалентной электрической схемой, состоящей из параллельного LC-контура, последовательно соединенного с конденсатором 5 емкостью С₀. Каждый параллельный контур состоит из индуктивного и емкостного элементов с последовательно подключенным к каждому активным сопротивлением. Такая схема известна как одномерная метаматериальная резонансная структура (см. [12]).Each SCH 1 with a shunt capacitor 4 with a capacity of C ₁ and one series capacitor 5 with a capacity of C _{0 is} described by an equivalent electrical circuit consisting of a parallel LC circuit connected in series with a capacitor 5 with a capacity of C ₀ . Each parallel circuit consists of inductive and capacitive elements with an active resistance connected in series to each. Such a scheme is known as a one-dimensional metamaterial resonance structure (see [12]).

Эквивалентная схема одной резонансной ячейки изображена на Фиг.3.An equivalent circuit of one resonant cell is shown in FIG. 3.

Частотная зависимость входного сопротивления структуры, представленной эквивалентной схемой на Фиг.3, имеет два резонанса: последовательный (обычно обозначаемый как «резонанс») на частоте f₁ и параллельный (обычно обозначаемый как «антирезонанс») на частоте f₂. На резонансной частоте f₁ достигается минимум входного сопротивления резонансной структуры, а на частоте f₂ - максимум входного сопротивления (Фиг.4). Наличие резонанса и антирезонанса в одной колебательной системе характерно для резонансной метаматериальной структуры, обеспечивающей высокодобротный резонанс в системе (см. [12]). Резонансные частоты определяются величинами емкостей С₀ и C₁ и импедансом КРЗ 1, которое может быть рассчитано из его эквивалентной схемы (Фиг.3). Передача энергии наиболее эффективна на частоте f₁.The frequency dependence of the input resistance of the structure represented by the equivalent circuit in FIG. 3 has two resonances: serial (usually denoted as “resonance”) at a frequency f ₁ and parallel (usually denoted as “antiresonance”) at a frequency f ₂ . At the resonant frequency f _{1 the} minimum of the input resistance of the resonant structure is achieved, and at the frequency f _{2 the} maximum of the input resistance (Figure 4). The presence of resonance and antiresonance in one oscillatory system is characteristic of a resonant metamaterial structure that provides high-quality resonance in the system (see [12]). The resonant frequencies are determined by the capacitance values of C ₀ and C ₁ and the impedance of the short-circuit switch 1, which can be calculated from its equivalent circuit (Figure 3). Energy transfer is most efficient at f ₁ .

Эквивалентная схема всей резонансной структуры изображена на Фиг.6. Она состоит из нескольких идентичных секций. Каждая секция представляет параллельный контур, образованный конденсатором 4 с емкостью C₁, соединенным с КРЗ 1 (КРЗ эквивалентен одновитковой индуктивности). Несколько идентичных секций соединены последовательно с помощью конденсаторов 5 с емкостью Со. Эквивалентная схема такой структуры может быть преобразована в последовательное соединение нескольких идентичных элементарных ячеек, соединенных последовательно. Такое соединение кольцевых резонаторов с зазором и параллельной емкостью обеспечивает большую величину индуктивности структуры и предполагает использование больших значений сопротивления нагрузки.An equivalent circuit of the entire resonant structure is shown in Fig.6. It consists of several identical sections. Each section represents a parallel circuit formed by a capacitor 4 with a capacitance C ₁ connected to a short circuit switch 1 (short circuit switch is equivalent to a single-turn inductance). Several identical sections are connected in series using capacitors 5 with a capacity Co. An equivalent circuit of such a structure can be converted into a series connection of several identical unit cells connected in series. Such a connection of ring resonators with a gap and a parallel capacitance provides a large value of the inductance of the structure and involves the use of large values of the load resistance.

Все индуктивные элементы в схеме попарно связаны между собой взаимной индукцией, что ведет к увеличению добротности структуры. Чертежи однослойных кольцевых резонаторов с зазором (КРЗ) на одиночных слоях с номерами 1, 2, … и N представлены на Фиг.7. Схема сборки многослойной резонансной структуры показана на Фиг.8.All inductive elements in the circuit are paired with each other by mutual induction, which leads to an increase in the quality factor of the structure. Drawings of single-layer annular resonators with a gap (SRH) on single layers with numbers 1, 2, ... and N are presented in Fig.7. An assembly diagram of a multilayer resonant structure is shown in FIG.

Разработанная метаматериальная резонансная структура имеет миниатюрные размеры (<λ/100, где λ - длина волны) и достаточно высокую добротность (Q≈150÷200). Устройство может работать в частотном диапазоне 1-100 МГц. Применение многосекционной конструкции, реализованной в виде многослойной структуры, обеспечивает более высокое входное сопротивление, что ведет к увеличению значения сопротивления нагрузки.The developed metamaterial resonance structure has miniature dimensions (<λ / 100, where λ is the wavelength) and a fairly high quality factor (Q≈150 ÷ 200). The device can operate in the frequency range of 1-100 MHz. The use of a multisectional design implemented as a multilayer structure provides a higher input resistance, which leads to an increase in the value of the load resistance.

Для получения более равномерного магнитного потока через КРЗ 1 вдоль общей оси КРЗ 1 располагают магнитный сердечник 7 (феррит). Метаматериальная резонансная структура с магнитным сердечником представлена на Фиг.9. При более равномерном магнитном поле внутри КРЗ 1 образуется более равномерное распределение плотности тока в проводниках КРЗ, что приводит к росту добротности. Введение магнитного сердечника 7 в систему КРЗ приводит к росту эффективной площади КРЗ и, в конечном итоге, к росту эффективного коэффициента связи между передающей и приемной катушками системы передачи энергии.To obtain a more uniform magnetic flux through the SCH 1, a magnetic core 7 (ferrite) is arranged along the common axis of the SCH 1. A metamaterial resonance structure with a magnetic core is shown in FIG. 9. With a more uniform magnetic field inside the SCH 1, a more uniform distribution of the current density is formed in the conductors of the SCH, which leads to an increase in the quality factor. The introduction of a magnetic core 7 into the SRH system leads to an increase in the effective SRH area and, ultimately, to an increase in the effective coupling coefficient between the transmitting and receiving coils of the energy transmission system.

Предложенная резонансная структура может быть изготовлена с использованием гибридной технологии керамики с низкой температурой обжига или технологии печатных плат. Обе технологии позволяют использовать компоненты поверхностного монтажа.The proposed resonant structure can be fabricated using hybrid ceramic technology with a low firing temperature or printed circuit board technology. Both technologies allow the use of surface mount components.

Предложенная метаматериальная резонансная структура также может быть реализована без использования навесных конденсаторов. При использовании диэлектрика с высоким значением относительной диэлектрической проницаемости εr, необходимое значение емкости будет обеспечено за счет межвитковой емкости, представляющей встроенный интегрированный в подложку конденсатор.The proposed metamaterial resonance structure can also be implemented without the use of mounted capacitors. When using a dielectric with a high value of relative permittivity εr, the required value of the capacitance will be provided due to the inter-turn capacitance, which is a built-in capacitor integrated into the substrate.

Разработанная резонансная структура может применяться в беспроводных портативных зарядных устройствах для электронных устройств, в том числе и компактных. Бытовое использование устройств такого типа представлено, например, зарядным устройством для мобильных телефонов. В медицине разработанная структура может использоваться в кардиостимуляторах или любых других медицинских электронных устройствах, в том числе и компактных.The developed resonant structure can be used in wireless portable chargers for electronic devices, including compact ones. Domestic use of devices of this type is represented, for example, by a charger for mobile phones. In medicine, the developed structure can be used in pacemakers or any other medical electronic devices, including compact ones.

Список источниковList of sources

1. J.J. O'Neill, Prodigal Genius - the Life of Nikola Tesia, New York: Washburn, 1944.1. J.J. O'Neill, Prodigal Genius - the Life of Nikola Tesia, New York: Washburn, 1944.

2. M. Cheney, Tesla, Man Out of Time, Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1981.2. M. Cheney, Tesla, Man Out of Time, Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1981.

3. J. Theeuwes, Simultaneous Wireless Transmission of Power and Data Using a Rectenna, Eindhoven University of Technology, the Netherlands, 2006.3. J. Theeuwes, Simultaneous Wireless Transmission of Power and Data Using a Rectenna, Eindhoven University of Technology, the Netherlands, 2006.

4. J. Heikkinen and M. Kivikoski, ″Low-profile circularly polarized rectifying antenna for wireless power transmission at 5.8 GHz″, IEEE Microwave and Wireless Comp. Lett., Vol.14, 2004.4. J. Heikkinen and M. Kivikoski, ″ Low-profile circularly polarized rectifying antenna for wireless power transmission at 5.8 GHz ″, IEEE Microwave and Wireless Comp. Lett., Vol. 14, 2004.

5. J. Heikkinen, P. Salonen, and M. Kivikoski, ″Planar rectennas for 2.45 GHz wireless power transfer″, IEEE Radio and Wireless Conference RAWCON 2000.5. J. Heikkinen, P. Salonen, and M. Kivikoski, ″ Planar rectennas for 2.45 GHz wireless power transfer ″, IEEE Radio and Wireless Conference RAWCON 2000.

6. M. Ali, G. Yang, and R. Dougal, ″A new circularly polarized rectenna for wireless power transmission and data communication″, IEEE Antennas and Wireless Propag. Lett., Vol.4, 2005.6. M. Ali, G. Yang, and R. Dougal, ″ A new circularly polarized rectenna for wireless power transmission and data communication ″, IEEE Antennas and Wireless Propag. Lett., Vol. 4, 2005.

7. A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J.D. Joannopoulus, P. Fisher, and M. Soljacic, ″Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances”, Science, vol. 317, July 2007, pp.83-86.7. A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J.D. Joannopoulus, P. Fisher, and M. Soljacic, ″ Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances ”, Science, vol. 317, July 2007, pp. 83-86.

8. Patent No. 649621 N. Tesla ″Apparatus for Transmission of Electrical Energy″, 1900.8. Patent No. 649621 N. Tesla ″ Apparatus for Transmission of Electrical Energy ″, 1900.

9. US patent application No. 20100123530 A1 E.-S. Park, S.-W. Kwon, J.-S. Shin, Y.-T. Hong ″Apparatus for wireless power transmission using high-Q low frequency near magnetic field resonator, 2010.9. US patent application No. 20100123530 A1 E.-S. Park, S.-W. Kwon, J.-S. Shin, Y.-T. Hong ″ Apparatus for wireless power transmission using high-Q low frequency near magnetic field resonator, 2010.

10. A.P. Sample, D.T. Mayer and J.R. Smith ″Analysis, Experimental Results, and Range Adaptation of Magnetically Coupled Resonators for Wireless Power Transfer″, IEEE trans. on Industrial Electronics, vol. 58, iss.2, Feb. 2011, pp.544-554.10. A.P. Sample, D.T. Mayer and J.R. Smith ″ Analysis, Experimental Results, and Range Adaptation of Magnetically Coupled Resonators for Wireless Power Transfer ″, IEEE trans. on Industrial Electronics, vol. 58, iss. 2, Feb. 2011, pp. 544-554.

11. A.O. Rodriguez, E.S. Solis, M.A. Lopez, M.C. Mantaras, and S.S. Hidalgo, ″Performance of a petal resonator surface (PERES) coil via equivalent circuit simulations″, Revista Mexicana de Fisica, Vol 52, October 2006, pp.398-403.11. A.O. Rodriguez, E.S. Solis, M.A. Lopez, M.C. Mantaras, and S.S. Hidalgo, ″ Performance of a petal resonator surface (PERES) coil via equivalent circuit simulations ″, Revista Mexicana de Fisica, Vol 52, October 2006, pp.398-403.

12. С. Caioz and Т. Itoh, Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Applications, NJ: John Wiley & sons, 2006.12. S. Caioz and T. Itoh, Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Applications, NJ: John Wiley & sons, 2006.

Claims

1. Resonant structure for wireless energy transfer, consisting of several ring resonators, characterized in that it is a combination of strongly coupled ring resonators located under each other with a gap, each of which is shunted by a capacitor, each with a gap, made with metamaterial properties, and each ring resonator with a gap is made in the form of a metal strip on a dielectric substrate and connected to an adjacent resonator with a gap by means of a series-connected capacitor.

2. The resonant structure according to claim 1, characterized in that the capacitive elements are made in the form of mounted capacitors.

3. The resonant structure according to claim 1, characterized in that the ring resonators with a gap are rotated relative to each other at an angle selected so that it is possible to place a serial mounted capacitor.

4. The resonant structure according to claim 1, characterized in that the ring resonators with a gap have a circular shape or a polygonal shape with an arbitrary number of sides.

5. The resonant structure according to claim 1, characterized in that the thickness of the dielectric substrate lies in the range from 50 to 1500 microns.

6. The resonant structure according to claim 1, characterized in that the dielectric constant of the dielectric substrate lies in the range from 2 to 20.

7. The resonant structure according to claim 1, characterized in that the number of ring resonators with a gap is chosen arbitrarily.

8. The resonant structure according to claim 1, characterized in that the frequency range of operation lies in the range of 1-100 MHz.

9. The resonant structure according to claim 1, characterized in that the structure is made using hybrid ceramic technology with a low firing temperature or printed circuit board technology that allows the use of surface mount components.

10. The resonant structure according to claim 9, characterized in that the combination of parallel and serial elements of the resonant circuit is configured to form two resonances on the frequency response of the input impedance.

11. The resonant structure according to claim 1, characterized in that each ring resonator with a gap with a shunt capacitance and one series capacitance is described by an equivalent electrical circuit consisting of a parallel LC circuit connected in series with a capacitor.

12. The resonant structure according to claim 11, characterized in that each specified parallel LC circuit consists of inductive and capacitive elements with series-connected active resistance.

13. The resonant structure according to claim 1, characterized in that its equivalent circuit is a series connection of several sections, each of which is a parallel resonant circuit formed by a capacitor and a ring resonator with a gap connected to each other by means of a mounted capacitor.

14. The resonant structure according to claim 1, characterized in that its quality factor is from 150 to 200 (Q = 150-200).

15. The resonant structure according to claim 1, characterized in that along the axis of the ring resonators with a gap is a magnetic rod.

16. The resonant structure according to clause 15, wherein the magnetic rod is made of ferrite.

17. The resonant structure according to claim 1, characterized in that the capacitors are embedded in a dielectric substrate with a high dielectric constant.