CN106160263A - 一种性能可控的平面双频无线能量传输线圈装置 - Google Patents

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章秀银
林杰凯
许冰媛
李斌
麦晓冬
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14—Inductive couplings
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F2038/146—Inductive couplings in combination with capacitive coupling

Abstract

本发明公开了一种性能可控的平面双频无线能量传输线圈装置，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双频线圈，所述背面微带结构包括连接正面馈电线圈的外接端口。本发明利用集总电容和电感及一个谐振线圈构成了结构简单的双频线圈模型，通过在馈电线圈上加载一个集总电容实现对双频带响应的独立调节，产生一个双频高效率的无线能量传输系统。

Description

一种性能可控的平面双频无线能量传输线圈装置
技术领域
本发明涉及一种无线能量传输系统，具体涉及一种性能可控的平面双频无线能量传输线圈装置。
背景技术
无线能量传输实现了非接触的能量传输，有着广泛的应用前景，目前已经成为一个研究热点。其中磁共振式的无线能量传输更是取得了许多的关注，尤其是该技术在无线传感器、移动通信设备等领域得到广泛的应用。最近几年，有大量的科研工作者对多频无线能量传输展开了研究。与单频无线能量传输系统相比，多频无线能量传输系统可以提供多个频段传输能量或信息，提高了无线能量传输系统的传输效率。然而，如何产生多个频段并且提高各个频段的传输效率是科研工作者最重要的研究问题之一。
目前，已经出现了一些产生双频无线能量传输系统的方法。文献《G.Wang,P.Wang,Y.Tang,and W.Liu,“Analysis of dual band power and data telemetry forbiomedical implants,”IEEE Trans.Biomed.Circuits Syst.,vol.6,no.3,pp.208–215,Jun.2012.》中，采用4个不同结构的平面螺旋谐振线圈构成双频无线能量传输系统。由于系统的发射端和接收端均引入不同谐振频率的线圈，线圈与线圈之间的互耦使得系统设计变得复杂。在文献《M.-L.Kung and K.-H.Lin,“Enhanced analysis and design method ofdual-band coil module for near-field wireless power transfer systems,”IEEETrans.Microw.Theory Techn.,vol.63,no.3,pp.821–832,Mar.2015.》和《M.-L.Kung andK.-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，研究了利用集总电容和电感来产生双频传输通道的方法。由于采用了集总元器件，避免了不同谐振频率的线圈之间的互耦。但上述方法在高频率通带的传输效率仍然较低，而且两个频带内的响应无法独立控制。因此，设计一个双频段响应独立可调、传输效率高且结构简单的双频无线能量传输系统，对于进一步提高无线能量传输系统的功率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，本发明提供一种性能可控的平面双频无线能量传输线圈装置。
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电路结构,利用集总电容和电感及一个谐振线圈构成了结构简单的双频线圈模型，通过一个馈电线圈对双频线圈模型馈电产生一个双频高效的无线能量传输系统；通过在馈电线圈上加载一个集总电容实现对双频带响应的独立调节，进一步提高双频无线能量传输系统的传输效率；同时，通过将馈电线圈和双频线圈模型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：
一种性能可控的平面双频无线能量传输线圈装置，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双频线圈，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、第三电容28、第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4及第五微带线5依次连接构成，其中第五微带线5的末端及第六微带线6的末端分别通过金属化过孔与背面微带结构的外接端口连接。
所述双频线圈由第一电容25及依次连接的第十三微带线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、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及第二十四微带线24构成，所述第一电容25跨接在第二十四微带线24及第十八微带线18之间；
还包括依次连接的第二电容26、第十一微带线11、第一电感27及第十二微带线12，所述第十二微带线12与第二十四微带线24连接，所述第二电容26与第十八微带线18连接。
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。
所述第一微带线1及第三微带线3分别与第十三微带线13相互平行，所述第四微带线4与第十四微带线14相互平行，所述第五微带线5及第六微带线6分别与第十五微带线15相互平行，所述第七微带线7与第十六微带线16相互平行。
所述第二电容26及第十一微带线11位于第十八微带线18的延长线上、所述第十二微带线12位于第二十四微带线的延长线上，所述第一电感27跨接在第十二微带线12及第十一微带线11之间。
本发明的有益效果：
(1)本发明利用集总电容和电感及一个谐振线圈构成了结构简单的双频线圈模型，通过一个馈电线圈对双频线圈模型馈电产生一个双频高效的无线能量传输系统；
(2)本发明在馈电线圈上加载一个集总电容实现对双频带响应的独立调节，进一步提高双频无线能量传输系统的传输效率；
(3)本发明将馈电线圈和双频线圈模型设计在同一块印刷电路板上，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40mm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，一种性能可控的平面双频无线能量传输线圈装置，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和双频线圈，所述双频线圈位于正面馈电线圈的外围，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电路结构，利用一个馈电线圈对双频线圈模型馈电，并通过在馈电线圈上加载一个集总电容实现对双频带响应的独立调节，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、第三电容28、第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4及第五微带线5依次连接构成，其中第五微带线5的末端及第六微带线6的末端分别通过金属化过孔与背面的外接端口连接。上述微带线均为垂直方式连接，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。
所述双频线圈由第一电容25及依次连接的第十三微带线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、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及第二十四微带线24构成，所述第一电容25跨接在第二十四微带线及第十八微带线之间，上述连接方式均为垂直连接；
还包括依次连接的第二电容26、第十一微带线11、第一电感27及第十二微带线12，所述第十二微带线12与第二十四微带线24连接，所述第二电容26与第十八微带线18连接；
所述第二电容26及第十一微带线11位于第十八微带线18的延长线上、所述第十二微带线12位于第二十四微带线24的延长线上，所述第一电感27跨接在第十二微带线12及第十一微带线11之间。
所述第一微带线1及第三微带线3与第十三微带线13相互平行，所述第四微带线4与第十四微带线14相互平行，所述第五微带线5及第六微带线6与第十五微带线15相互平行，所述第七微带线7与第十六微带线16相互平行。
本实施例中一种性能可控的平面双频无线能量传输线圈装置，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及双频线圈均为正方形，其中正面馈电线圈的边长L3＝113mm,线宽W2＝1.5mm；双频线圈的内圈边长L2＝128mm，外圈边长L1＝150mm，线宽W1＝4.5mm；第一电容C1＝170pF；第二电容C2＝170pF；C3＝720pF，第一电感Ld＝330nH；第十一微带线11的边长L4＝2.5mm，线宽W3＝1.5mm；第十二微带线12的边长L5＝4mm，线宽W4＝1.5mm。电路整体尺寸为150mm×150mm。
图4所示是传输距离为40mm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13.56MHz和36MHz时，传输效率分别能达到82％和74％。
综上所述，本发明提出了一种性能可控的平面双频无线能量传输线圈装置，该电路通过在无线能量传输系统的发射端和接收端采用相同的双频电路结构，利用一个馈电线圈对由集总电容和电感及一个谐振线圈构成的双频线圈模型馈电产生双频高效的无线能量传输系统。通过在馈电线圈上加载一个集总电容实现对双频带响应的独立调节，进一步提高了无线能量传输系统的传输效率。不仅如此，通过将馈电线圈和双频线圈模型设计在同一块印刷电路板上，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 (6)

1.一种性能可控的平面双频无线能量传输线圈装置，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双频线圈，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所述的平面双频无线能量传输线圈装置，其特征在于，所述正面馈电线圈由第六微带线(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)、第三电容(28)、第一微带线(1)、第二微带线(2)、第三微带线(3)、第四微带线(4)及第五微带线(5)依次连接构成，其中第五微带线(5)的末端及第六微带线(6)的末端分别通过金属化过孔与背面微带结构的外接端口连接。
3.根据权利要求1所述的平面双频无线能量传输线圈装置，其特征在于，所述双频线圈由第一电容(25)及依次连接的第十三微带线(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)、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)及第二十四微带线(24)构成，所述第一电容(25)跨接在第二十四微带线(24)及第十八微带线(18)之间；
还包括依次连接的第二电容(26)、第十一微带线(11)、第一电感(27)及第十二微带线(12)，所述第十二微带线(12)与第二十四微带线(24)连接，所述第二电容(26)与第十八微带线(18)连接。
4.根据权利要求1所述的平面双频无线能量传输线圈装置，其特征在于，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。
5.根据权利要求1所述的平面双频无线能量传输线圈装置，其特征在于，第一微带线(1)及第三微带线(3)分别与第十三微带线(13)相互平行，所述第四微带线(4)与第十四微带线(14)相互平行，所述第五微带线(5)及第六微带线(6)分别与第十五微带线(15)相互平行，所述第七微带线(7)与第十六微带线(16)相互平行。
6.根据权利要求3所述的平面双频无线能量传输线圈装置，其特征在于，所述第二电容(26)及第十一微带线(11)位于第十八微带线(18)的延长线上、所述第十二微带线(12)位于第二十四微带线(24)的延长线上，所述第一电感(27)跨接在第十二微带线(12)及第十一微带线(11)之间。
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