CN104485507A - 一种可控的宽频磁波波束形成装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双螺旋线圈单元片的可控宽频磁波波束形成装置与方法。所述装置由若干个双螺旋线圈单元片叠加而成。所述双螺旋线圈单元片是一种正反面各布置有螺旋线圈的双层电路板，板面中心设有内孔，两个面的螺旋线在内端连通，且环流方向一致。所述双螺旋线圈单元片的线圈形状、匝数、匝距和线宽等参数精确可调，制作工艺一致性好且易于小型化与集成。所述可控磁波波束形成装置由若干个大小不同的螺旋线圈单元组合，可以通过数控电路设置单元间的串、并连方式，调节装置电阻、电感等电学参数，进而调节系统的谐振频率和带宽；可以通过设置组合中各螺旋线圈单元的内孔调节磁波主瓣；可以通过设置单元组合整体的包络外形调节磁波旁瓣；可以通过设置组合装置整体的单元片数量，大小，实现对装置功率、磁波发射距离的调节。

Description

一种可控的宽频磁波波束形成装置与方法

技术领域

本发明属涉及无线探测与无线输能技术领域，具体涉及一种可控的宽频磁波波束形成装置与方法。

背景技术

在基于磁的无线探测或无线能量技术领域当中，电信号与磁信号、或电能与磁能的转化是其中的重要环节。电磁感应线圈是完成这部分功能的主要装置。传统的感应线圈大多为导线由人工或机械绕制而成，形成平面螺旋线圈或者立体螺旋线管。这种绕制线圈的制作工艺一致性与可控性都不高，线圈的匝数、匝距、线宽的精确控制比较难实现。且绕制的线圈有时还存在应力回弹，造成实际性能与设计性能的偏差。

在电磁感应系统中，电路和谐振匹配非常重要。比如对于磁耦合谐振式无线输能系统，其原理是利用两个具有相同谐振频率的谐振线圈之间的近场磁耦合来传递能量，能量的收发电路需调节达到共同的谐振频率，实现近距离的高效能量传输，在非谐振的条件下，能量传输效率急剧下降。而根据滤波器理论，线圈的本征谐振频率、品质因数等物理参数决定着系统的各种电路参数。而传统线圈一旦绕制完成，其物理结构便固定，其电学参数也很难再进行调整，这使得电路调谐变得非常困难，系统的灵活性受限。

另外，现有的感应线圈一般不具有定向发射磁场的功能，其磁场分布较为分散，在某些场景中，例如需要在距离较近的两个充电目标中选择其中一个进行输能时，或者对空间某指定区域进行磁探测时，传统线圈的发散磁场很难实现。

总结现有电磁感应线圈，有以下不足：

（1）线圈制作工艺难以控制，制作的精准度不高。难以制作构造复杂，体积小的线圈。

（2）线圈制作完成后，其电学参数无法灵活调整，不利于整个系统的调谐与匹配。

（3）现有的感应线圈产生磁场较为分散，且感应磁场分布无法灵活调整。

发明内容

本发明目的在于克服现有感应线圈等磁波收发装置的制作精度不高、结构固定、电学参数难以调整、磁场分布分散等不足，提出一种可控的宽频磁波波束形成装置与方法。

所述可控的宽频磁波波束形成装置，由若干个双螺旋线圈单元片叠加而成。

所述装置中的双螺旋线圈单元片，是一种正反面各布置有螺旋线圈的双层电路板，板面中心设有通孔供磁场通过，通孔形状及大小根据实际需求设定。

上述的双螺旋线圈单元片中，螺旋线的形状、匝数、匝距、线宽等参数可以由电路设计软件精确设置。其中螺旋线的形状不限于基于圆形的多重曲线，还可以基于是三角形，方形，多边形甚至是其它任意形状的多重曲线；螺旋线的线宽可以为非恒宽，根据需求可以设置不同位置的不同线宽调整螺旋线圈单元片上的阻抗分布；所述双层电路板的外形或中心内孔也可以根据需求调整为其它任意形状。

上述的双螺旋线圈单元片中，两个面的螺旋线在靠中心内端相连通，外端分别作为该片单元的正负极，供多个单元互联。

上述的双螺旋线圈单元片中，正负极接入电路后，从单元的一个面看上去，应保证两面螺旋线中电流的环流方向相同（同为顺时针或逆时针），从而使正反两个面的螺旋线圈生成的磁场方向相同，实现磁场叠加增强。

上述的双螺旋线圈单元片中，螺旋线圈单元片还可以选用多层电路板布置多层线圈，满足对高集成度要求的场景；还可以选用柔性电路板材料进行加工，满足对线圈形变有一定可塑性要求的应用场景。多个上述的双螺旋线圈单元片间可以串联，并联以及混联的方式组合，从而可以灵活调节组合整体的电阻、电感和电容等电学参数。单元的组合方式还可以通过接入数控电路或芯片进行切换，从而通过数控电路对组合模块整体的电学参数进行调整。单元间连接后仍应保证每个单元电流方向一致，形成的磁场同向。

所述可控的宽频磁波波束形成装置中，多个双螺旋线圈单元片间可依据特定的外形大小顺序组合，使其组合后的包络为某种流型形状，比如锥体。每个单元内孔形状和大小可以根据需求选择相同或者不同，单元片之间的连接方式根据系统需求，选择串联、并联或者混联。

所述基于双螺旋线圈单元片的可控宽频磁波波束形成装置，如按从大到小顺序组合成锥体，可在其锥形结构的锥侧面部分形成较弱磁场，而在锥顶部分磁场强度最强，即磁场“聚焦”在了锥顶部分较小的区域。这是因为对于两个外径不同的螺旋线圈，在中心附近位置形成磁场叠加增强，而在两个单元片最外侧的线圈附近，小半径线圈与大半径线圈形成的磁场相消。

所述基于双螺旋线圈单元片的可控宽频磁波波束形成装置，其组合整体的锥侧面可以围上磁屏蔽材料层，进一步削弱磁场旁瓣并加强发射主瓣的汇聚。还可以在装置磁波发射方向后端放置永磁体来施加磁场偏置。为更好地适应不同的用途及工作环境，在线圈中心，还可放入不同的磁性材料。

所述基于双螺旋线圈单元片的可控宽频磁波波束形成装置，不限于当做磁波的发射端，也可以作为接收端使用，将磁转化为电。

所述基于双螺旋线圈单元片的可控宽频磁波波束形成装置，还可以将多个双螺旋单元片或其组合在空间分布放置，使辐射方向汇聚，以进一步加强波束的聚焦。

上述基于双螺旋线圈单元片的可控宽频磁波波束形成装置：

（1）可以精确设计双螺旋线圈单元片上的螺旋线匝数、匝距、线宽等参数，从而实现对系统阻抗、电流、磁场强度等的控制。

（2）可以设置双螺旋线圈单元片之间的串联、并联方式，调节组合整体的电阻、电感等参数，从而实现谐振频率f _c以及频率带宽B的控制。

（3）可以通过设置双螺旋线圈单元片内部通孔的形状和大小，使不同集束的磁场通过，实现磁波主瓣形状和大小的控制。

（4）可以通过设计组合装置整体的外部包络形状（例如图3（a）（b）所示的线性椎体或非线性椎体），实现磁波旁瓣分布的控制。

（5）可以通过设置组合装置整体的厚度、单元片数量，大小，实现对装置功率的调节，从而控制磁波发射的距离。

（6）多个所述装置可以在空间按特定位置排列，使多个装置的主瓣汇聚，进一步加强磁场的聚焦。

由此就可以实现本发明装置可控的宽频磁波波束形成功能。

与现有绕制线圈相比，本发明具有以下优点：

（1）可以精确设计双螺旋线圈单元片上的螺旋线形状、匝数、匝距、线宽等参数，且同一螺旋线圈上的线宽可以不同，从而实现对装置的阻抗分布、电流、磁场强度等的控制。

（2）这种螺旋线圈设置在电路板上的单元，其螺旋的匝数、匝距包括线宽都可以精确控制，并且方1便大规模生产，产品的工艺一致性、线圈的品质因数等也能得到很好的保障，性能更为稳定，避免了绕制线圈的工艺难以控制、一致性差的不足。

（3）线圈单元的组合方式灵活可调。可以基于串联、并联、混联的方式，灵活调整组合模块的电阻、电感等电学参数，这极大方便了系统的电路匹配。而传统线圈在绕制好之后，相关电学参数便固定，很难再进行可量化的调整。

（4）本发明可以实现发射磁波的主瓣、旁瓣等参数的控制，工程应用具有更高的灵活性。

附图说明

图1是本发明所述可控宽频磁波波束形成装置剖面图。

图2a是本发明所述双螺旋线单元片示例图。

图2b是本发明所述双螺旋线单元片的一种印刷电路板实例图。

图3是本发明所述输能装置可以实现磁波束形成的原理解释图。

图4a是本发明所述可控宽频磁波波束形成装置的凹锥体形状示意图。

图4b是本发明所述可控宽频磁波波束形成装置的凸锥形状示意图。

图5是本发明所述可控宽频磁波波束形成装置的空间组合是示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及无线输能应用场景为例对本发明的具体实施方式作进一步说明。

图1是基于双螺旋线圈单元片的可控宽频磁波波束形成装置剖面结构示意图。该装置由若干个上述双螺旋线圈单元片101组合而成。单元间的连接方式可以根据系统对线圈的电阻、电感、电容等电学参数的需求，以串联、并联或者混联的方式组合。所述单元的组合方式可以由数控电路进行控制，即便每个单元的物理结构固定，可以通过后台的数控电路通过软件的形式来灵活调整其组合方式，从而实现其电学参数的变化。

如考虑进一步削弱锥侧面的磁场，可以考虑在锥侧面围上磁屏蔽材料层102，在锥顶处留开口。在线圈中心，还可放入不同的磁性材料103，更好地适应不同的用途及工作环境。如作为磁发射装置，还可以在装置磁波发射方向后端放置永磁体104，实现磁波的后向屏蔽。

图2a为所述实施例中双螺旋线圈单元片实例的平面示意图。如图所示，该单元为双层电路板，中心设有通孔201，上下两层分别布置螺旋线202和203，图中分别用实线与虚线表示。螺旋线分布不限于图中所示样式，可以根据系统需求进行设计。螺旋线宽也不限于图中所示的恒宽线圈，比如可以在设置内部螺旋线设置较细，而外部螺旋线较宽来调整螺旋线圈片单元上的阻抗分布。两个螺旋线内端在204处相连通，引出的外部接头205分别作为该片单元的正极和负极，供多个单元之间组合相连接使用。图2b是本实施例所述双螺旋线单元片的一个印刷电路板实例图。

若干个双螺旋线圈单元片组合成锥形结构可以实现磁能的聚焦定向发射。图3解释了这种排列方式如何实现磁场的聚焦定向的原理。如图，为简便，我们仅考虑两个半径不同的双螺旋线圈单元片最外端螺旋线。根据安培定律，图中两个螺旋线形成的磁场方向在用“×”“Ÿ”标注出来（“×”表示磁场方向垂直纸面向内，“Ÿ”表示磁场方向垂直纸面向外）。可以看到，在靠近中心区域，两个线圈形成的磁场同向。而两个线圈之间的部分磁场异向，因此该区域的磁场被削弱。因此，结合图1的组合模块来看，当多个半径递减的圆片单元组成类似锥形型结构时，锥侧面部分由于相邻圆片的线圈形成磁场相抵消，其合成磁场是较弱的，而在锥顶区域为磁场最强处，从而可以实现磁场的定点发射。

由上面分析不难看出，装置合成锥体的外形包络影响磁波发射的旁瓣分布。图1所示的组合整体为线性锥体，实际中也可以设计为其它非线性锥体，例如图4a凹锥体和图4 b所示的凸锥体，来调节该装置磁场旁瓣的抑制和分布情况。

所述基于双螺旋线圈单元片的可控宽频磁波波束形成装置，还可以将多个双螺旋单元片或其组合在空间分布放置，并使多个装置的辐射方向汇聚，以进一步加强波束的聚焦，图5为所述放置方式的示意图。

Claims (6)

1.一种可控的宽频磁波波束形成装置，其特征在于由若干个双螺旋线圈单元片叠加而成。

2.根据权利要求1所述装置中的双螺旋线圈单元片，其特征在于正反面各布置有螺旋线圈的双层电路板，板面中心设有内孔。所述双螺旋线圈单元片的螺旋线，其形状、匝数、匝距、线宽等参数可以由电路设计软件精确设置。其中螺旋线的形状不限于基于圆形的多重曲线，还可以基于是三角形，方形，多边形甚至是其它任意形状的多重曲线；螺旋线的线宽不限于同一宽度，可以在不同位置设置不同线宽以调整螺旋线圈单元片上的阻抗分布。所述双层电路板的外形或中心内孔也可以根据需求调整为其它任意形状。

3.根据权利要求2所述的双螺旋线圈单元片中，其特征在于两个面的螺旋线在靠中心内端相连通，外端分别作为该片单元的正负极，供多个单元互联。正负极接入电路后，从单元的一个面看上去，应保证单元两面螺旋线中电流的环流方向相同（同为顺时针或逆时针），从而使正反两个面的螺旋线圈生成的磁场方向相同，实现磁场叠加增强。螺旋线圈单元片还可以选用多层电路板布置多层线圈，满足对高集成度要求的场景；还可以选用柔性电路板材料进行加工，满足对线圈形变有一定可塑性要求的应用场景。

4.根据权利要求2所述的双螺旋线圈单元片间可以串联，并联以及混联的方式组合，从而可以灵活调节组合整体的电阻、电感和电容等电学参数，并且组合方式通过接入数控电路控制切换。双螺旋线圈单元片间连接后仍应保证每个单元的电流方向一致，形成同向的磁场。

5.根据权利要求1所述可控的宽频磁波波束形成装置，其特征在于不同大小的多个双螺旋线圈单元片间进行组合，使其组合后的外形包络为某种流型形状，如锥体。组合整体的外形包络控制磁波波束形成的旁瓣分布。每个单元内孔形状和大小可以根据需求设置，以控制磁波波束形成的主瓣特性。其组合整体的锥侧面可以围上磁屏蔽材料层，进一步削弱磁场旁瓣并加强发射主瓣能量的汇聚。还可以在装置磁波发射方向后端放置永磁体来施加恒定磁场偏置。所述宽频磁波波束形成装置，不限于当做磁波的发射端，也可以作为接收端使用，将磁转化为电。为更好地适应不同的用途及工作环境，在线圈中心，还可放入不同的磁性材料。可以将多个双螺旋线圈单元片按照一定空间位置组合，使磁波主瓣变强。还可以将所述磁波波束形成装置按照一定空间位置组合，使多个装置的磁波主瓣汇聚。

6.根据权利要求1所述的可控宽频磁波波束形成装置，其特征在于：

（1）可以精确设计双螺旋线圈单元片上的螺旋线形状、匝数、匝距、线宽等参数，且同一螺旋线圈上的线宽可以不同，从而实现对装置的阻抗分布、电流、磁场强度等的控制；

（2）可以设置双螺旋线圈单元片之间的串联、并联方式，调节组合整体的电阻、电感等参数，从而实现谐振频率f _c以及频率带宽B的控制；

（3）可以通过设置双螺旋线圈单元片内孔的形状和大小，使不同集束的磁场通过，实现磁波主瓣形状和大小的控制；

（4）可以通过设计组合装置整体的外部包络形状，实现磁波旁瓣分布的控制；

（5）可以通过设置组合装置整体的厚度、单元片数量，大小，实现对装置功率的调节，从而控制磁波发射的距离；

（6）多个所述装置可以在空间按特定位置排列，使多个装置的主瓣汇聚，进一步加强磁场的聚焦。