CN105720702B - 一种采用强耦合双谐振器的无线能量传输系统 - Google Patents

一种采用强耦合双谐振器的无线能量传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用强耦合双谐振器的无线能量传输系统，包括发射端及接收端，两者具有相同的电路结构，均包括正面微带结构、中间介质基板和背面微带结构，所述正面微带结构印制在中间介质基板的上表面，所述背面微带结构印制在中间介质基板的下表面，所述正面微带结构包括正面馈电线圈和正面谐振器，所述正面馈电线圈和正面谐振器之间为镂空结构，所述背面微带结构包括背面谐振器及连接正面馈电线圈的外接端口。本发明通过在无线能量传输系统的发射端和接收端分别采用强耦合的双谐振器，提高了系统的功率传输效率。

Description

一种采用强耦合双谐振器的无线能量传输系统
技术领域
本发明涉及一种无线能量传输系统，具体涉及一种采用强耦合双谐振器的无线能量传输系统。
背景技术
无线能量传输是一种很有前景的技术，在传统的有线能量传输不方便或不能实现时，无线能量传输便能起到很好的作用。最近几年，磁共振式的无线功率传输更是取得了许多的关注，尤其是该技术在非接触式可充电公路和作为生物医学植入器件的电源等方面的应用。已经有大量的科研工作者在这方面展开了研究。在各种研究方向中，最重要的研究问题之一是要怎么获得高传输效率。具体地说，当线圈尺寸和传输距离被确定时，如何提高效率是一个很大的挑战。
目前已经出现了很多种在发射器和接收器之间提高功率传输效率的方法。在文献《D.Ahn,and S.Hong,“A study on magnetic field repeater in wireless powertransfer,”IEEE Trans.Ind.Electron.,vol.60,no.1,pp.360–371,Jan.2013.》中，研究了用继电器线圈提高发射器和接收器之间的磁耦合，提高工作效率的方法。文献《A.Rajagopalan,A.K.RamRakhyani,D.Schurig,and G.Lazzi,“Improving powertransfer efficiency of a short-range telemetry system using compactmetamaterials,”IEEE Trans.Microw.Theory Techn.,vol.62,no.4,pp.947–955,Apr.2014.》将负磁导率的超材料用来增强发射器和接收器的相互耦合，从而提高效率。然而，在很多应用上并不总是适合在发射器和接收器之间放置继电器线圈或超材料。文献《T.C.Beh,M.Kato,T.Imura,S.Oh,and Y.Hori,“Automated impedance matching systemfor robust wireless power transfer via magnetic resonance coupling,”IEEETrans.Ind.Electron.,vol.60,no.9,pp.3689–3698,Sep.2013.》和《J.Kim,D-H.Kim,andY-J.Park,“Analysis of capacitive impedance matching networks for simultaneouswireless power transfer to multiple devices,”IEEE Trans.Ind.Electron.,vol.62,no.5,pp.2807-2813,May.2015.》采用了在交流源和发射器之间，以及接收器和负载之间设计阻抗匹配网络的方法。虽然功率传输效率可以得到提高，然而需要接入额外的电路，使整个系统变得更复杂。文献《H-D.Lang,A.Ludwig,and C.D.Sarris,“Convex optimizationof wireless power transfer systems with multiple transmitters,”IEEETrans.Antennas Propag.,vol.62,no.9,pp.4623–4636,Sep.2014》则在一个无线功率传输系统中采用多个接收器，提高系统总的功率传输效率。然而，该设计并不适合点对点功率传输应用。
所有上述研究利用三维的金属线圈设计无线能量传输系统的信号发射器和接收器，这往往会导致系统体积庞大，不适合应用于小型电子设备。相对应的，将电路设计在平面印刷电路板中具有更小的体积，更易加工制作并应用在电子设备中。然而，设计在印刷电路板上的线圈的品质因数较低，会降低功率传输效率。为了解决这个问题，文献《F.Jolani,Y.Yu,and Z.Chen,“A planar magnetically coupled resonant wireless powertransfer system using printed spiral coils,”IEEE Antennas WirelessPropag.Lett.,vol.13,pp.1648–1651,2014.》采用并联电流路径技术，降低了谐振器的阻抗，将功率传输效率提高到81.6％。除了品质因数外，工作频率也会影响传输效率。文献《A.S.Y.Poon,S.O’Driscoll,and T.H.Meng,”Optimal frequency for wireless powertransmission into dispersive tissue”IEEE Trans.Antennas Propag,vol.58,no.5,pp.1739–1750,May.2010》对系统的最佳工作频率进行分析，并选择相应频率以提高效率。此外，文献《R-F.Xue,K-W.Cheng,and M.Je,“High-efficiency wireless power transferfor biomedical implants by optimal resonant load transformation,”IEEE TransCircuits Syst.I,Reg Papers,vol.60,no.4,pp.867–874,Apr.2013.》的分析表明，最佳负载的选择也有助于获得高效率。尽管通过各种技术的研究，可以提高加工在印刷电路板上的电路的传输效率，然而相比于采用三维的金属线圈设计的电路，效率还是较低。因此，研究新的技术，进一步提高加工在印刷电路板上的电路的传输效率具有重要意义。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种采用强耦合双谐振的无线能量传输系统。
本发明在无线能量传输系统的发射端和接收端分别采用双谐振器结构，通过双谐振器之间的强耦合作用，提高无线能量传输系统的传输效率；同时，通过将馈电线圈和两个谐振器设计在同一块印刷电路板上，减小了电路的体积。
本发明采用如下技术方案：
一种采用强耦合双谐振器的无线能量传输系统，包括发射端及接收端，所述发射端及接收端具有相同的电路结构，均包括正面微带结构、中间介质基板和背面微带结构，所述正面微带结构印制在中间介质基板的上表面，所述背面微带结构印制在中间介质基板的下表面，所述正面微带结构包括正面馈电线圈和正面谐振器，所述正面馈电线圈和正面谐振器之间为镂空结构，所述背面微带结构包括背面谐振器及连接正面馈电线圈的外接端口，背面谐振器与正面谐振器相平行。
所述正面馈电线圈由第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线及第五微带线依次连接构成，其中第一微带线的末端及第五微带线的末端分别通过金属化过孔与背面的外接端口连接。
所述正面谐振器由第七微带线、第八微带线、第九微带线、第十微带线、第十一微带线、第十二微带线、第十三微带线、第十四微带线、第十五微带线、第十六微带线、第十七微带线、第十八微带线及第一电容依次连接构成，所述第一电容连接在第十二微带线及第十八微带线之间。
所述背面谐振器与正面谐振器结构相同，所述背面谐振器由第二十微带线、第二十一微带线、第二十二微带线、第二十三微带线、第二十四微带线、第二十五微带线、第二十六微带线、第二十七微带线、第二十八微带线、第二十九微带线、第三十微带线、第三十一微带线及第二电容依次连接构成，所述第二电容连接在第二十五微带线及第三十一微带线之间。
当无线能量传输系统作为发射端时，所述外接端口作为输入端口I/P，连接信号源的两端；当无线能量传输系统作为接收端时，所述外接端口作为输出端口O/P，连接负载的两端。
所述第一及第五微带线与第九微带线平行，所述第二微带线与第十微带线平行，所述第三微带线与第十一微带线平行，所述第四微带线与第八微带线平行。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过在无线能量传输系统的发射/接收端中引入强耦合的双谐振器，提高了系统的功率传输效率；
(2)本发明将两个谐振器连同馈电线圈设计在同一块印刷电路板上，减小了电路系统的尺寸，节约了成本。
附图说明
图1是本发明的正面结构图。
图2是本发明的背面结构图。
图3是本发明的尺寸标注图。
图4是本发明实施例在传输距离为15cm时不同频率下的仿真与测量结果。
图5是在工作频率为13.56MHz时传统的无线能量传输系统与本发明实施例在不同传输距离下的测量结果比较。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
图1-图2所示，一种基于发射/接收端中采用强耦合双谐振器的无线能量传输系统，包括发射端及接收端，所述发射端和接收端具有相同的电路结构，均包括正面微带结构、中间介质基板及背面微带结构，所述正面微带结构印制在中间介质基板的上表面，所述背面微带结构印制在中间介质基板的下表面，所述正面微带结构包括正面馈电线圈和正面谐振器，所述背面微带结构包括背面谐振器及连接正面馈电线圈的外接端口。正面谐振器与背面谐振器相平行。通过发射/接收端中两个谐振器之间的强耦合效应，提高功率传输效率。
所述正面馈电线圈和正面谐振器之间为镂空结构，具体为了保证馈电线圈传输到所述正面微带结构中的谐振器和所述背面微带结构中的谐振器的能量相等，谐振器与馈电线圈之间的部分介质被移除并形成的空槽6称为镂空结构，只剩小部分介质用于固定馈电线圈。馈电线圈与谐振器之间的匹配可以通过调整馈电线圈与谐振器的距离来实现。
所述正面馈电线圈由第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4和第五微带线5依次连接构成，其中第一微带线1末端和第五微带线5末端分别通过金属化过孔连接到背面的外接端口。当所述电路作为无线能量传输系统的发射端时，该外接端口作为输入端口I/P,连接信号源的两端，用于将交流源的能量传输到谐振器上；当所述电路作为无线能量传输系统的接收端时，该外接端口作为输出端口O/P，连接负载的两端，用于将谐振器上的能量传输到负载上。
所述正面谐振器由第七微带线7、第八微带线8、第九微带线9、第十微带线10、第十一微带线11、第十二微带线12、第十三微带线13、第十四微带线14、第十五微带线15、第十六微带线16、第十七微带线17、第十八微带线18和第一电容19依次连接构成，谐振器的总长度和第一电容19共同决定谐振器的工作频率，所述第一电容具体连接在第十二微带线及第十八微带线之间。
所述背面谐振器与正面谐振器结构相同，所述背面谐振器由第二十微带线20、第二十一微带线21、第二十二微带线22、第二十三微带线23、第二十四微带线24、第二十五微带线25、第二十六微带线26、第二十七微带线27、第二十八微带线28、第二十九微带线29、第三十微带线30、第三十一微带线31和第二电容32依次连接构成，谐振器的总长度和第二电容32共同决定谐振器的工作频率。所述第二电容连接在第二十五微带线及第三十一微带线之间。
所述正面谐振器与所述背面微带结构中的谐振器完全相同。当谐振器的总长度确定时，两谐振器之间的耦合强度取决于组成谐振器的微带线线宽和中间介质基板的厚度。
本实施例中一种基于发射/接收端中采用强耦合双谐振器的无线能量传输系统，其发射/接收端的电路尺寸标注图如图3所示，以下仅仅为本发明的一个实例。本实例中所用的介质基板为FR4,其厚度为1.6mm，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02，微带线厚度为35um。本实施例中馈电线圈和谐振器均为正方形，其中馈电线圈的边长L1＝78mm,线宽W1＝7.5mm；空槽的边长L2＝102mm,线宽W2＝6.0mm；谐振器的内圈边长L3＝129mm，外圈边长L4＝150mm，线宽W3＝4.5mm；加载电容CT＝240pF。电路整体尺寸为150mm×150mm。
图4所示是传输距离为15cm时本发明实施例在不同频率下的仿真与测量结果，图中纵坐标数字表示传输效率，单位为％。由图可知，本发明提出的双谐振器无线能量传输系统工作在13.56MHz时，传输效率能达到90％。图中测量结果与仿真结果相符合，效率的稍微偏差是由电路加工误差引入的，属于可接受范围。
图5所示是工作频率为13.56MHz时传统的无线能量传输系统与本发明实施例在不同传输距离下的测量结果比较，纵坐标数字表示传输效率，单位为％。由图中可以看出，传统的无线能量传输系统最高传输效率为80％，本发明实施例的最高传输效率能达到90％，提高了10％的功率传输效率。以上测试结果证明了本发明设计理论的正确性和可行性。
综上所述，本发明提出了一种基于发射/接收端中采用强耦合双谐振器的无线能量传输系统，该电路通过在无线能量传输系统的发射端和接收端分别采用强耦合的双谐振器，提高了无线能量传输系统的传输效率。不仅如此，通过将馈电线圈和两个谐振器设计在同一块印刷电路板上，减小了电路的体积。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种采用强耦合双谐振器的无线能量传输系统，包括发射端及接收端，所述发射端及接收端具有相同的电路结构，其特征在于，均包括正面微带结构、中间介质基板和背面微带结构，所述正面微带结构印制在中间介质基板的上表面，所述背面微带结构印制在中间介质基板的下表面，所述正面微带结构包括正面馈电线圈和正面谐振器，所述正面馈电线圈和正面谐振器之间为镂空结构，所述背面微带结构包括背面谐振器及连接正面馈电线圈的外接端口，背面谐振器与正面谐振器相平行；
谐振器与馈电线圈之间的部分介质被移除并形成的空槽称为镂空结构，只剩小部分介质用于固定馈电线圈。
2.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述正面馈电线圈由第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线及第五微带线依次连接构成，其中第一微带线的末端及第五微带线的末端分别通过金属化过孔与背面的外接端口连接。
3.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述正面谐振器由第七微带线、第八微带线、第九微带线、第十微带线、第十一微带线、第十二微带线、第十三微带线、第十四微带线、第十五微带线、第十六微带线、第十七微带线、第十八微带线及第一电容依次连接构成，所述第一电容连接在第十二微带线及第十八微带线之间。
4.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述背面谐振器与正面谐振器结构相同，所述背面谐振器由第二十微带线、第二十一微带线、第二十二微带线、第二十三微带线、第二十四微带线、第二十五微带线、第二十六微带线、第二十七微带线、第二十八微带线、第二十九微带线、第三十微带线、第三十一微带线及第二电容依次连接构成，所述第二电容连接在第二十五微带线及第三十一微带线之间。
5.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于，当无线能量传输系统作为发射端时，所述外接端口作为输入端口I/P，连接信号源的两端；当无线能量传输系统作为接收端时，所述外接端口作为输出端口O/P，连接负载的两端。
6.根据权利要求2所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述第一及第五微带线与第九微带线平行，所述第二微带线与第十微带线平行，所述第三微带线与第十一微带线平行，所述第四微带线与第八微带线平行。
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