CN105914902A - 一种高效率的双频平面无线能量传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效率的双频平面无线能量传输系统，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、第一谐振器和第二谐振器，所述背面微带结构包括连接正面馈电线圈的外接端口。本发明通过利用一个馈电线圈对两个不同频率的谐振器馈电产生一个双频的高效率无线能量传输系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线能量传输系统，具体涉及一种高效率的双频平面无线能量传输系统。
背景技术
随着对无接触供电的需求不断增加，无线能量传输技术不断发展起来。最近几年，人们开始对该技术进行深入的研究。采用磁耦合共振方式的无线能量传输技术更是取得了许多的关注，该技术在电动汽车和在微型植入式医疗仪器的供电等方面得到广泛的应用。近年来，越来越多的学者参与到多频无线能量传输系统的研究。相比单频无线能量传输系统，多频无线能量传输系统可以提供更多的通道来传输能量或信息。然而，如何产生多频传输通道和提高各通道的效率仍然是一个很大的挑战。
目前，已经出现了一些产生双频无线能量传输系统的方法。在文献《M.-L.Kung and K.-H.Lin,“Investigation of dual-band coil module for near-field wirelesspower transfer systems,”in Proc.Wireless Power Transfer Conf.,Jeju,Korea,2015,pp.265–268.》中，研究了利用并联的集总电容和电感来产生双频传输通道的方法，但是由于采用了集总元器件，所以该无线能量传输系统仅能在较小的传输距离下实现高效率的传输。文献《M.Dionigi and M.Mongiardo,“A novel resonatorfor simultaneous wireless power transfer and near field magnetic communications,”in IEEE MTT-S Int.Microw.Symp.Dig.,Montreal,QC,Canada,2012,pp.1–3.》中，采用由圆形谐振线圈及与之共面的馈电线圈组成的双频线圈模型，提高了无线能量传输系统的功率传输效率。但该方法对效率的提升仅限于距离比较近的情况，在传输距离远的时候，效率并未改善。文献《T.C.Beh,M.Kate,T.Imura,S.Oh,andY.Hori,“Automated impedance matching system for robust wireless power transfervia magnetic resonance coupling,”IEEE Trans.Ind.Electron.,vol.60,no.9,pp.3689–3698,Sep.2013.》中，通过在发射端和接收端引入匹配网络来提高双频无线能量传输系统的传输效率。虽然效率可以获得提升，但是由于需要接入额外的电路，系统变得复杂。因此，设计一个结构简单、传输距离远且效率高的双频无线能量传输系统对于进一步推动无线能量传输技术的发展具有重要意义。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种高效率的双频平面无线能量传输系统。
本发明在无线能量传输系统的发射端和接收端采用相同的双频微带结构,利用一个馈电线圈对两个不同频率的谐振器馈电产生一个双频的高效率无线能量传输系统；同时因为两个不同频率的谐振器分别设计在馈电线圈的里面和外面，减小了电路的体积。
本发明采用如下技术方案：
一种高效率的双频平面无线能量传输系统，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、第一谐振器和第二谐振器。所述背面微带结构包括连接正面馈电线圈的外接端口。
所述正面馈电线圈由第十六微带线16、第十七微带线17、第十三微带线13、第十四微带线14及第十五微带线15依次连接构成，其中第十五微带线15的末端及第十六微带线16的末端分别通过金属化过孔与背面的外接端口连接。
所述第一谐振器由第一电容30和依次连接的第十八微带线18、第十九微带线19、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及第二十九微带线29构成，所述第一电容30连接在第二十二微带线22及第二十八微带线28之间。
所述第二谐振器由第二电容31和依次连接的第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4、第五微带线5、第六微带线6、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及第十二微带线12构成，所述第二电容31连接在第一微带线1及第七微带线7之间。
当作为发射端时，所述外接端口作为输入端口I/P，连接信号源的两端；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。
所述第二微带线2及第六微带线6与第十三微带线13相互平行，所述第三微带线3与第十四微带线14相互平行，所述第四微带线4与第十五微带线15相互平行，所述第五微带线5与第十七微带线17相互平行。
所述正面馈电线圈、第一谐振器和第二谐振器均为正方形，所述第二谐振器位于正面馈电线圈所围成的区域内部，所述正面馈电线圈位于第一谐振器所围成的区域内部。
本发明的有益效果：
(1)本发明利用一个馈电线圈对两个不同频率的谐振器馈电产生一个双频的高效率无线能量传输系统；
(2)本发明将两个不同频率的谐振器分别设计在馈电线圈的里面和外面，减小了电路的体积，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83mm时不同频率下的仿真结果。
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，一种高效率的双频平面无线能量传输系统，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、第一谐振器和第二谐振器。所述背面微带结构包括连接正面馈电线圈的外接端口。通过在系统的发射端和接收端采用相同的双频微带结构，利用一个馈电线圈对两个不同频率的谐振器馈电，提高了无线能量传输系统的传输效率。
所述正面馈电线圈由第十六微带线16、第十七微带线17、第十三微带线13、第十四微带线14及第十五微带线15依次连接构成，其中第十五微带线15的末端及第十六微带线16的末端分别通过金属化过孔与背面的外接端口连接。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。
所述第一谐振器由第十八微带线18、第十九微带线19、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及第一电容30依次垂直连接构成，所述第一电容30连接在第二十二微带线22及第二十八微带线28之间。
所述第二谐振器由第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4、第五微带线5、第六微带线6、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及第二电容31依次垂直连接构成，所述第二电容31连接在第一微带线1及第七微带线7之间。
所述第二微带线2及第六微带线6与第十三微带线13相互平行，所述第三微带线3与第十四微带线14相互平行，所述第四微带线4与第十五微带线15相互平行，所述第五微带线5与第十七微带线17相互平行。
本实施例中一种高效率的双频平面无线能量传输系统，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。本实施例中正面馈电线圈、第一谐振器及第二谐振器均为正方形，其中正面馈电线圈的边长L3＝118.4mm,线宽W2＝2.8mm；第一谐振器的内圈边长L2＝132.4mm，外圈边长L1＝150mm，线宽W1＝4mm；第一电容C1＝1.6nF；第二谐振器的内圈边长L5＝80mm，外圈边长L4＝100mm，线宽W3＝4mm；第二电容C2＝0.78nF。电路整体尺寸为150mm×150mm。
图4所示是传输距离为83mm时本发明实施例在不同频率下的仿真结果，图中纵坐标数字表示传输效率，单位为％。由图可知，本发明提出的双频无线能量传输系统工作在6.78MHz和13.56MHz时，传输效率分别能达到90％和66％。
综上所述，本发明提出了一种高效率的双频平面无线能量传输系统，该电路通过在无线能量传输系统的发射端和接收端均采用不同频率的谐振器，使系统可在较远的距离上高效地传输能量。不仅如此，通过将两个不同频率的谐振器分别设计在馈电线圈的里面和外面，减小了电路的体积，节约了成本。
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 (7)
1.一种高效率的双频平面无线能量传输系统，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、第一谐振器和第二谐振器，所述背面微带结构包括连接正面馈电线圈的外接端口。
2.根据权利要求1所述的双频平面无线能量传输系统，其特征在于，所述正面馈电线圈由第十六微带线(16)、第十七微带线(17)、第十三微带线(13)、第十四微带线(14)及第十五微带线(15)依次连接构成，其中第十五微带线(15)的末端及第十六微带线(16)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所述的双频平面无线能量传输系统，其特征在于，所述第一谐振器由第一电容(30)和依次连接的第十八微带线(18)、第十九微带线(19)、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)及第二十九微带线(29)构成，所述第一电容(30)连接在第二十二微带线(22)及第二十八微带线(28)之间。
4.根据权利要求1所述的双频平面无线能量传输系统，其特征在于，所述第二谐振器由第二电容(31)和依次连接的第一微带线(1)、第二微带线(2)、第三微带线(3)、第四微带线(4)、第五微带线(5)、第六微带线(6)、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)及第十二微带线(12)构成，所述第二电容(31)连接在第一微带线(1)及第七微带线(7)之间。
5.根据权利要求1所述的双频平面无线能量传输系统，其特征在于，其作为发射端时，所述外接端口作为输入端口I/P，连接信号源的两端；其作为接收端时，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1所述的双频平面无线能量传输系统，其特征在于，第二微带线(2)及第六微带线(6)与第十三微带线(13)相互平行，所述第三微带线(3)与第十四微带线(14)相互平行，所述第四微带线(4)与第十五微带线(15)相互平行，所述第五微带线(5)与第十七微带线(17)相互平行。
7.根据权利要求1所述的双频平面无线能量传输系统，其特征在于，所述正面馈电线圈、第一谐振器和第二谐振器均为正方形，所述第二谐振器位于正面馈电线圈所围成的区域内部，所述正面馈电线圈位于第一谐振器所围成的区域内部。
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| JP2009268022A (ja) * | 2008-04-30 | 2009-11-12 | Sony Corp | 通信システム並びにアンテナ装置 |
| CN102356512A (zh) * | 2009-03-19 | 2012-02-15 | 泰科电子日本合同会社 | 高频耦合器 |
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